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COSMOLOGY AND COSMIC STRUCTURES Antonaldo Diaferio Dipartimento di Fisica Generale Università degli Studi di Torino Torino, 8 aprile 2008 Current collaborators: Margaret J. Geller & Co. – Harvard-Smithsonian Center for Astrophysi Klaus Dolag – Max-Planck-Institut für Astrophysik Stefano Borgani & Co. - Universita' di Trieste Massimo Ramella – INAF, Oss. Astron. di Trieste Giuseppe Murante – INAF, Oss. Astron. di Torino Local group: Daniele Bertacca, Stefano Camera, Martina Giovalli, Luisa Ostorero,
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COSMOLOGY AND COSMIC STRUCTURES Antonaldo Diaferio Dipartimento di Fisica Generale Università degli Studi di Torino Torino, 8 aprile 2008 Current collaborators:

Dec 18, 2015

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Page 1: COSMOLOGY AND COSMIC STRUCTURES Antonaldo Diaferio Dipartimento di Fisica Generale Università degli Studi di Torino Torino, 8 aprile 2008 Current collaborators:

COSMOLOGY AND

COSMIC STRUCTURES

Antonaldo DiaferioDipartimento di Fisica GeneraleUniversità degli Studi di Torino

Torino, 8 aprile 2008

Current collaborators:

Margaret J. Geller & Co. – Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics

Klaus Dolag – Max-Planck-Institut für Astrophysik

Stefano Borgani & Co. - Universita' di Trieste

Massimo Ramella – INAF, Oss. Astron. di Trieste

Giuseppe Murante – INAF, Oss. Astron. di Torino

Local group:

Daniele Bertacca, Stefano Camera, Martina Giovalli, Luisa Ostorero, Ana Laura Serra

Page 2: COSMOLOGY AND COSMIC STRUCTURES Antonaldo Diaferio Dipartimento di Fisica Generale Università degli Studi di Torino Torino, 8 aprile 2008 Current collaborators:

- Energy content of the Universe

- Clusters of galaxies

- Distribution of galaxies on large scales:

galaxy formation

- Alternative theories of gravity

Outline

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THE MATTER/ENERGY CONTENT OF THE UNIVERSE

?

?

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WHERE DO WE GET THIS RESULT FROM?

ΩΛ

Ωm

vacuum energy density

geometry

mass density

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Early astrophysical evidence of DM

By using Newton/Einstein+ virial theorem:

Coma cluster

GM = 3σ2R ≃100Σmgal

Zwicky 1933

Total cluster mass sum of masses of individual galaxies

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The 1980's: X-ray emission

NGC2300 group

m ~ 0.25

Hydra cluster

GM(<r) ~ kBT

Xr (hydro-static eq.)

gas temperature

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Strong lensing

Weak lensing

GM(<r) ~ αrc2

m ~ 0.25

deflection angle

Dropping the dynamical equilibrium hypothesis. The 1990's: Gravitational lensing

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Dropping the dynamical equilibrium hypothesis: The caustic technique

CL0024 Sky Redshift diagram

CausticsCaustic

amplitude=

escape velocityDiaferio & Geller 1997m ~ 0.25

Page 9: COSMOLOGY AND COSMIC STRUCTURES Antonaldo Diaferio Dipartimento di Fisica Generale Università degli Studi di Torino Torino, 8 aprile 2008 Current collaborators:

Diaferio et al. 2005

CLUSTER MASSES: Comparing X-ray, Lensing and Caustics

in three clusters

3D mass profile

projectedmass profile

caustics

lensing

X-ray

Page 10: COSMOLOGY AND COSMIC STRUCTURES Antonaldo Diaferio Dipartimento di Fisica Generale Università degli Studi di Torino Torino, 8 aprile 2008 Current collaborators:

THE CENTER FOR ASTROPHYSICS REDSHIFT SURVEY (1978-1999)

20.000 galaxies

Sky projection

redshift survey

redshift 15000 km/s

Milky Way

de Lapparent, Geller & Huchra 1986;Falco et al. 1999

Catalogue of galaxieswith measured positionsand distance (redshift)

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The 2dF REDSHIFT SURVEY

The CfA RS

Colless et al 2001

Page 12: COSMOLOGY AND COSMIC STRUCTURES Antonaldo Diaferio Dipartimento di Fisica Generale Università degli Studi di Torino Torino, 8 aprile 2008 Current collaborators:

THE FORMATION OF COSMIC STRUCTURES:

CDM

by Ben Moore

Page 13: COSMOLOGY AND COSMIC STRUCTURES Antonaldo Diaferio Dipartimento di Fisica Generale Università degli Studi di Torino Torino, 8 aprile 2008 Current collaborators:

THE FORMATION OF COSMIC STRUCTURES

IN CDM MODELS:

Diaferio et al. 1999 (GIF sims.)

DM+Galaxies (semi-analytic modeling)

z=3

z=1

z=2

z=0

Page 14: COSMOLOGY AND COSMIC STRUCTURES Antonaldo Diaferio Dipartimento di Fisica Generale Università degli Studi di Torino Torino, 8 aprile 2008 Current collaborators:

From a new redshift survey: SHELS (Geller et al.)

Page 15: COSMOLOGY AND COSMIC STRUCTURES Antonaldo Diaferio Dipartimento di Fisica Generale Università degli Studi di Torino Torino, 8 aprile 2008 Current collaborators:

SIMULATIONS WITH ORDINARY (BARYONIC) MATTER: Diffuse IGM

and GalaxiesN-body/hydro-simulations

gas density gas temperature

Borgani et al. 2004

Page 16: COSMOLOGY AND COSMIC STRUCTURES Antonaldo Diaferio Dipartimento di Fisica Generale Università degli Studi di Torino Torino, 8 aprile 2008 Current collaborators:

COSMIC STRUCTURES

Forming a cluster

gas density stars

by Klaus Dolag

Page 17: COSMOLOGY AND COSMIC STRUCTURES Antonaldo Diaferio Dipartimento di Fisica Generale Università degli Studi di Torino Torino, 8 aprile 2008 Current collaborators:

List of the non-gravitational processes

adiabatic compression

shock heating

radiative heating and cooling

thermal conduction

reionization

star formation and evolution

feedback from supernovae explosion

galactic winds

chemical enrichment

feedback from active galactic nuclei

non-thermal processes (magnetic fields, cosmic ray production)

sub-resolutionprocesses

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THE MATTER/ENERGY CONTENT OF THE UNIVERSE

?

?

Page 19: COSMOLOGY AND COSMIC STRUCTURES Antonaldo Diaferio Dipartimento di Fisica Generale Università degli Studi di Torino Torino, 8 aprile 2008 Current collaborators:

The standard solution to DM

Supersymmetry (beyond the SM) suggests a number of candidates:

neutralinos, sneutrinos, gravitinos, axinos, ...

but other candidates are axions, sterile neutrinos, “wimpzillas”, ...

However:

neither direct search (accelerators, energy recoil from nucleus hit)

nor indirect search (gamma-ray, neutrino and anti-matter astronomy)

has yet proved the existence of these particles.

Page 20: COSMOLOGY AND COSMIC STRUCTURES Antonaldo Diaferio Dipartimento di Fisica Generale Università degli Studi di Torino Torino, 8 aprile 2008 Current collaborators:

The standard solution to DE (I)

Rμν

- ½ gμν

R = 8πG/c4 Tμν

+ Λ gμν

/c2

ρΛ = -p

Λ/c2 = Λc2/8πG

ρΛ → ρ

v

pΛ → p

v = -ρ

vc2

The DE fluid:

The vacuumenergy density interpretation

ρv~ 10-48 GeV4

Page 21: COSMOLOGY AND COSMIC STRUCTURES Antonaldo Diaferio Dipartimento di Fisica Generale Università degli Studi di Torino Torino, 8 aprile 2008 Current collaborators:

Einstein-Hilbert action:

SEH

=(16GN)-1 ∫ L (-g)1/2 d4x= (16G

N)-1 ∫ (-g)1/2 R d4x

Can avoid DM & DE:

metric theories L= f(R) where f is arbitrary (e.g. power laws, logarithms, etc.)

additional fields scalar-tensor theories (introduced by Jordan 1955, Brans-Dicke 1961) TeVeS (Bekenstein 2004) STVG (Moffat 2006)

(they have G and other constants varying with time)modification of the nature of the space-time geometry torsion (

not symmetric in : might be relevant for microphysics) non-symmetric metric g (e.g. Moffat: NGT nonsymmetric gravity theory1995,

MSTG=metric skew tensor gravity 2005) generalized Riemann geometry (Weyl, who introduced the conformal

transformations) additional symmetries Conformal gravity (Mennheim 2006)

Can avoid DE only:

from additional space-time dimension of M-theory: brane cosmologies

Zoology of alternative gravities

Page 22: COSMOLOGY AND COSMIC STRUCTURES Antonaldo Diaferio Dipartimento di Fisica Generale Università degli Studi di Torino Torino, 8 aprile 2008 Current collaborators:

Ltot = (-g)1/2[R + L(X,)] + Lmatter

X = (-1/2)DD

w=p/(2Xp'-p); p=L

UNIFIED DARK MATTER MODELS

@ high density: DM@ low density: DE

e.g. generalized Chaplygin gasp=-

V(r) = (½) exp(-2) (1+l2/r2) - (½) E2 exp[-)]

ds2=-exp(2)dt2+exp(2)dr2+r2d

Effective spherical potential

Page 23: COSMOLOGY AND COSMIC STRUCTURES Antonaldo Diaferio Dipartimento di Fisica Generale Università degli Studi di Torino Torino, 8 aprile 2008 Current collaborators:

The Mannheim-Kazanas (MK) parameterization:

(Walker 1994, Edery & Paranjape 1998, Pireaux 2004a,b)

> 0 0

gravitational potentialdeflection angle

metric

geodesicequation

CONFORMAL GRAVITY BASICS

massive particles: E>0photons: E=0

independent of 2

action

Page 24: COSMOLOGY AND COSMIC STRUCTURES Antonaldo Diaferio Dipartimento di Fisica Generale Università degli Studi di Torino Torino, 8 aprile 2008 Current collaborators:

SIMULATION RESULTS

Temperature evolution

2 Mpc

X-ray surf. bright. evolution

Page 25: COSMOLOGY AND COSMIC STRUCTURES Antonaldo Diaferio Dipartimento di Fisica Generale Università degli Studi di Torino Torino, 8 aprile 2008 Current collaborators:

Conclusions

By assuming GR, the astrophysical observations imply an overwhelming amount of DM + DE

compared to ordinary matter.

This conclusion rests on the understanding of the astrophysical sources,

and the control of systematics.