Study of soliton and black hole dynamics within the ultra-light dark matter model

Abstract

V této diplomové práci představuji vývoj a validaci numerického simulačního kódu pro studium ultralehké temné hmoty v přítomnosti baryonické hmoty. Framework je založen na particle-mesh přístupu, který kombinuje Fourierovu split-step spektrální metodu pro řešení soustavy SchrödingerovýchPoissonových rovnic s dalšími komponentami. Těmito komponentami jsou: plyn modelovaný na mřížce, bezsrážkové N-body částice reprezentující hvězdy a tzv. sink částice, které slouží jako aproximace centrálních černých děr. Simulační kód je validován pomocí série testů (Kapitola 4), které ověřují správné chování všech jeho komponent. Následně je použit ke studiu vývoje solitonových jader a jejich závislosti na spinu, potlačení hmotnosti solitonu centrální černou dírou, zesílené akrece plynu v přítomnosti solitonového jádra a k provedení simulací srážek systémů využívajících všechny dostupné komponenty kódu (Kapitola 5). Interpretace výsledků je poté diskutována v Kapitole 6.This thesis presents the development and validation of a numerical simulation framework for studying ultra-light dark matter in the presence of baryonic matter. The framework is based on a particle-mesh approach, combining a Fourier split-step solver for the Schrödinger-Poisson system with a grid-based gas component, collisionless N-body particles representing stars, and sink particles used as proxies for central black holes. The implemented framework is validated through a series of numerical tests Chapter 4, confirming the correct behaviour of all components. It is then applied to study solitonic core evolution and spin dependence, the suppression of soliton mass by a central black hole, enhanced gas accretion in the presence of a solitonic core, and exploratory mergers of composite multi-component systems (Chapter 5). The results are discussed in terms of their physical interpretation and numerical limitations in Chapter 6.