Kurzfassung
In dieser Dissertation untersuchen wir astrophysikalische Implikationen von selbstwechselwirkender Dunkler Materie. Beobachtungen auf unterschiedlichen Skalen legen die Existenz einer zusätzlicher Form von Materie nahe, welche nur mittels Gravitation wechselwirkt. Im Standard Modell der Kosmologie wird diese Dunkle Materie als kalt und kollisionsfrei betrachtet. Abweichungen zwischen Beobachtungen und Vorhersagen des $/Lambda$CDM Modells auf kosmologisch kleinen Skalen motivieren uns über die Annahmen des Modells hinaus zu denken. Die Annahmen über die Kollisionalität der Dunklen Materie abzuschwächen führt zu der Idee der selbstwechselwirkenden Dunklen Materie, welche die Probleme auf kleinen Skalen lösen kann. Astrophysikalische Observablen zu studieren ist ein vielversprechender Weg um die Natur und die Wechselwirkungen der Dunklen Materie zu verstehen. Einige Signaturen haben das Potential das standard Paradigma von kalter und kollisionsfreier Dunkler Materie zu testen und einige der beliebtesten Kandidaten für Dunkle Materie auszuschliessen.
Selbstwechselwirkende Materie hat bemerkenswerte Konsequenzen für kollidierende Halos von Dunkler Materie wie eine Verschiebung zwischen der leuchtenden und Dunklen Materie eines einfallenden Halos. Wir demonstrieren wie eine Detektion von einer solchen Verschiebung zu direkten Beschränkungen des Selbstwechselwirkungsquerschnitts führt. Wir unterscheiden zwischen seltenen und häufigen Selbstwechelwirkungen und beobachten, dass Erkenntnisgewinn über die Grundsätze der Wechselwirkung möglich ist durch Beobachtungen von verschmelzenden Systemen.
Wir diskutieren auch eine Einschränkung von Simulationen von verschmelzenden Galaxienhaufen mit Selbstwechselwirkung von Dunkler Materie, nämlich dass Galaxien typischerweise als kollisionsfreie Testteilchen in solchen Simulationen behandelt werden. Die Tatsache, dass Galaxien in Halos von Dunkler Materie liegen macht die Galaxien aber selbst kollisional, wenn Selbstwechselwirkungen von Dunkler Materie implementiert werden. Wir demonstrieren wie dieser Effekt beobachtbare Verschiebungen verringert.
Schliesslich präsentieren wir die erste Implementierung von häufigen Selbstwechelwirkungen in Mehrkörpersimulation. Wir finden eine effektive Beschreibung des Energietransfers, welche geglättete Teilchen-Hydrodynamik benutzt, für den Fall, dass die Wechselwirkungen zu häufig sind um explizit aufgelöst werden zu können. Simulationen eines isolierten Dunkle Materie Halos einer Zwerggalaxie zeigen, dass wir in der Lage sind Dichte Profile der Dunklen Materie mit einem isothermen Kern zu reproduzieren.
In this thesis we study the astrophysical implication of self-interacting dark matter. Observations on different scales suggest the existence of an additional form of matter which interacts gravitationally. This dark matter is assumed to be cold and collisionless in the standard model of cosmology. Discrepancies between observations and predictions of the $/Lambda$CDM model on cosmologically small scales motivate us to think beyond the assumptions of the model. Relaxing the assumption on the collisionality of dark matter leads to the idea of self-interacting dark matter, which may be able to resolve the small-scale issues. Studying astrophysical observables is a very promising avenue to understand the nature and the interactions of dark matter. Some signatures have the potential to test the standard cold and collisionless dark matter paradigm and could rule out many popular dark matter candidates. Self-interacting dark matter has striking consequences for colliding dark matter haloes such as an observable offset between the luminous and dark matter of an infalling halo. We demonstrate how a detection of such an offset leads to direct constraints on the self-interaction cross section. We distinguish between rare and frequent self-interactions and observe that it may be possible to gain knowledge about the fundamentals of the interaction from observations of merging systems. We also discuss a limitation of simulations of merging galaxy clusters with dark matter self-interactions, namely that commonly the galaxies are treated as collisionless test particles. However, the fact that galaxies reside in dark matter haloes makes the galaxies themselves collisional if dark matter self-interactions are implemented. We demonstrate how this effect diminishes observable offsets. Finally, we present the first implementation of frequent self-interactions in $N$-body simulations. Using smoothed particle hydrodynamics we find an effective description of energy transfer for the case that the interactions are too frequent to be resolved explicitly. Simulations of an isolated dark matter halo of a dwarf galaxy show that we are able to reproduce dark matter density profiles with an isothermal core