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Boldrin, Michele (2016) Clustering and Lensing properties of Dark Matter haloes in Euclid era. [Ph.D. thesis]

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Abstract (english)

Following the most accredited cosmological model, the LCDM model, only 4% of the Universe is formed by baryonic matter, while about 26% is made up of Cold Dark Matter (CDM) and the remaining 70% is given by the component responsable of the cosmic accelerated expansion, called dark energy.
Primordial perturbations in the CDM distribution that oppose to cosmic expansion and begin to collapse origin the potential wells where baryonic matter condense to form galaxies and stars.
Observed on scales minor than some Mpc, the Universe is far from being homogeneous: galaxies are embedded by collapsed dark matter haloes.
Therefore, the study of the substratum of dark matter in which the baryonic matter lies is fundamental to understand the formation and evolution of cosmic structures.

Every object we observe come from an aggregation history of dark matter haloes, which generally enter in a host halo and orbit around the center of mass, becoming satellites.
During this motion, several dynamical phenomenons may cause partial or total satellite mass-loss, or they can brake it through loss of angular momentum, so the satellite fall in the center of the host halo.
In any case, the evolution of the satellite mass is very different from the evolution of a single halo.
In this work we analyse the average relations between the satellite mass at the time of accretion and the mass at a given later observation moment.
In particular, we wonder how can we estimate the former by the latter and viceversa.
Using the new set of cosmological simulations LE SBARBINE, developed in the Physics and Astronomy Department of the University of Padova, we test the law that regulates the average mass-loss rate of satellites and we develop a new relation between the mass observed at a certain redshift and the average mass it could have at the accretion time.
Furthermore, we discuss some factors that originate anomallies in the satellite mass evolution with respect to the average law we found, with particular attention to major mergers.

In the context of the structure formation, galaxy clusters represent the last phase of the aggregation process of dark matter haloes.
Being the largest and more recent objects in the Universe, every their feature or behaviour is a probe for the reference cosmological model.
This is even more important in this epoch of technological progress, as the statistical study of these objects requires large and deep observations.
An optimal example of those future innovative instruments is given by the spatial telescope Euclid (ESO), which will be launched in 2019-2020 and will observe a main 15000 square degrees of extragalactic sky, collecting images and spectra with excellent resolution and quality in optical and NIR bands.
One of the research field that will be mostly improved by future observations is arc statistics, that is the cosmological research through the observation of giant gravitational arcs, the most magnificent effects of strong gravitational lensing.
In the last decades, the study and the observations of gravitational lensing phenomenons has increased, following the rate of technological development.
In particular, giant gravitational arcs, which are mainly created by galaxy clusters, need detailed and deep observations to be identified and used in statistical investigations.
Because of the strong dependence of the number of those objects in the sky on the cosmology, we study as the number of arcs visible in the main survey of Euclid is dependent on the cosmological parameters Omega matter and sigma8, the two that mostly determine the structure formation process.
Moreover, we analise the effect of the survey size and of the application of a selection function on our estimates.

Abstract (italian)

Secondo il più accreditato modello cosmologico oggigiorno, il modello LCDM, solamente il 4% dell'Universo sarebbe composto da materia barionica, mentre circa il 26% sarebbe formato da materia oscura fredda (CDM) e il restante 70% da una componente ritenuta responsabile dell'espansione cosmica accelerata, chiamata energia oscura.
Le perturbazioni primordiali nella distribuzione di CDM che vincono l'espansione cosmica e riescono a contrarsi, formano le buche di potenziale nelle quali la materia barionica condensa formando galassie e stelle.
Osservato su scale minori di circa 1 Mpc, l'Universo è quindi tutt'altro che omogeneo: la materia oscura collassata in aloni ospita le galassie che noi osserviamo.
Lo studio della formazione del substrato di materia oscura nel quale è ospitata la materia barionica condensata risulta perciò di fondamentale importanza per capire la formazione e l'evoluzione delle strutture cosmiche.

Ogni oggetto che osserviamo deriva da una storia di aggregazione di aloni di materia oscura, i quali generalmente entrano in un alone ospite e orbitano attorno al suo centro di massa, divenendo suoi satelliti.
Durante questo moto, vari fenomeni dinamici possono causare perdita di massa parziale o totale del satellite, oppure possono frenarlo facendogli perdere momento angolare e quindi spiraleggiare verso il centro dell'ospite.
In ogni caso, l'evoluzione della massa del satellite risulta molto diversa dall'evoluzione di un alone singolo.
In questo lavoro analizziamo le relazioni medie fra la massa dei satelliti al momento dell'accrescimento e la massa ad un certo momento di osservazione.
In particolare, ci domandiamo come stimare la prima dalla seconda e viceversa.
Facendo uso del nuovo set di simulazioni cosmologiche LE SBARBINE, sviluppato nel dipartimento di Fisica e Astronomia dell'Università di Padova, testeremo la legge precedentemente trovata per il tasso medio di perdita di massa dei satelliti e svilupperemo una relazione fra la massa osservata di un satellite ad un certo redshift e la massa media che aveva al momento dell'accrescimento.
Inoltre commenteremo i fattori che determinano delle anomalie nell'evoluzione della massa dei satelliti rispetto alla legge trovata, con particolare attenzione ai major mergers.

Nel contesto della formazione delle strutture, gli ammassi di galassie rappresentano l'ultimo stadio del processo di aggregazione di aloni di materia oscura.
Essendo gli oggetti più grandi e più giovani dell'Universo, ogni loro caratteristica o comportamento funziona da test per il modello cosmologico di riferimento.
Questo è ancora più importante in questa epoca di forte progresso tecnologico, poiché lo studio statistico di tali oggetti richiede osservazioni di porzioni di cielo più estese possibili e con ottima risoluzione.
Un ottimo esempio di futuri strumenti innovativi è il telescopio spaziale Euclid, dell'European Spatial Observatory, che verrà lanciato nel 2019-2020 e osserverà 15000 gradi quadri di cielo extragalattico raccogliendo immagini e spettri di eccellente qualità in ottico e vicino infrarosso.
Uno dei campi di ricerca che verranno maggiormente rivoluzionati dalle future osservazioni è quello della statistica degli archi, ovvero la ricerca cosmologica attraverso l'osservazione di archi gravitazionali giganti, i più eclatanti effetti di lensing gravitazionale forte.
Negli ultimi decenni, infatti, lo studio e le osservazioni dei fenomeni di lensing gravitazionale è andato via via aumentando, di pari passo con lo sviluppo tecnologico.
In particolare, gli archi gravitazionali giganti, prodotti dagli ammassi di galassie, necessitano di osservazioni dettagliate e profonde per essere identificati e utilizzati in studi di tipo statistico.
Data la forte dipendenza cosmologica del numero di questi oggetti visibili nel cielo, ci proponiamo di studiare come il numero di archi visibili nella survey principale di Euclid è dipendente dai parametri cosmologici Omega matter e sigma_8, i due che maggiormente influenzano la formazione delle strutture.
Inoltre, abbiamo analizzato l'effetto della dimensione della survey e dell'applicazione di una funzione di selezione sulle nostre previsioni.

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EPrint type:Ph.D. thesis
Tutor:Tormen, Giuseppe and Meneghetti , Massimo
Ph.D. course:Ciclo 28 > Scuole 28 > ASTRONOMIA
Data di deposito della tesi:01 August 2016
Anno di Pubblicazione:01 August 2016
Key Words:cosmology dark matter clustering strong gravitational lensing
Settori scientifico-disciplinari MIUR:Area 02 - Scienze fisiche > FIS/05 Astronomia e astrofisica
Struttura di riferimento:Dipartimenti > Dipartimento di Fisica e Astronomia "Galileo Galilei"
Codice ID:9730
Depositato il:03 Nov 2017 10:09
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Bibliografia

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