Constraints of cosmological parameters and dark matter with direct and indirect measurements of the extragalactic background light and galactic subhalos

Abstract

This thesis investigates the nature and observable consequences of dark matter (DM) by modeling its impact on astrophysical radiation fields and the structure of Milky Way–like galaxies. Although DM interacts only weakly with standard‑model particles, certain candidates may still produce indirect observational signatures, such as axion‑like particles (ALPs) or weakly interacting massive particles (WIMPs). In addition, the thesis also includes the modeling of the extragalactic background light (EBL).

The first part of this thesis explores the contribution of ALPs to the EBL, which is the isotropic and homogeneous radiation field of extragalactic origin arising from the integrated emission of astrophysical sources over cosmic history. A cosmological population of ALPs decaying into photons would add a diffuse component to the EBL. We incorporate the predicted ALP emission into a model that describes the EBL in the X‑ray, ultraviolet, and optical regimes, and compare these predictions with observational upper limits to derive constraints on the ALP mass–coupling parameter space. The New Horizons probe has reported a persistent excess of EBL intensity, which we also try to explain with ALP decay.

The second part of the thesis introduces niebla, an open-source Python library for modeling the optical and infrared regimes of the EBL based on the forward evolution of their sources. The library includes prescriptions for stellar emission, dust absorption and re‑emission, and optional components such as stripped stars, intra‑halo light, and ALP decay. We construct several EBL models using different dust prescriptions and demonstrate how they affect the attenuation of very-high-energy gamma rays through pair production with background photons. Simulated observations of the blazar Markarian 501 show that, assuming a simple intrinsic source spectrum, certain EBL models can be distinguished, although this becomes more difficult for more complex source spectra.

The final part of the thesis examines the gamma-ray signatures of WIMPs by analyzing magnetohydrodynamical simulations of Milky Way-like galaxies from the Auriga suite. These simulations, along with corresponding dark-matter-only runs, allow an assessment of the impact of baryons on the subhalo population. We use a repopulation algorithm to model subhalos below the simulation resolution limits and explore scenarios in which subhalos are fragile or resilient to tidal forces near the Galactic Center. Repopulated subhalos below the resolution limits can be very bright in gamma rays, especially in repopulations that account for baryonic processes and assume a resilient subhalo population. The results also show that baryonic effects weaken existing annihilation cross‑section limits from dark satellites, whereas enhanced subhalo resilience can partly compensate for this reduction.

Together, these studies highlight both the constraining power and the present limitations of indirect DM searches, while providing software and methodologies to support future analyses.

In dieser Dissertation wird die Natur und die beobachtbaren Folgen der dunklen Materie (DM) untersucht, indem deren Einfluss auf astrophysikalische Strahlungsfelder und die Struktur galaktischer Systeme ähnlich der Milchstraße modelliert wird. Obwohl DM nur schwach mit Elementarteilchen des Standardmodells interagiert, könnten bestimmte Kandidaten, wie axionartige Teilchen (ALPs) oder schwach wechselwirkende massive Teilchen (WIMPs), dennoch indirekte beobachtbare Signale erzeugen. Außerdem umfasst die Arbeit auch die Modellierung des extragalaktischen Hintergrundlichts (EBL).

Der erste Teil der Arbeit beschreibt den Beitrag von ALPs zum EBL. Das EBL ist ein isotropes und homogenes Strahlungsfeld extragalaktischer Herkunft, das sich aus der integrierten Emission astrophysikalischer Prozesse im Verlauf der kosmischen Evolution des Universums zusammensetzt. Eine kosmologische Population von ALPs, die in Photonen zerfallen, würde eine diffuse Komponente zum EBL hinzufügen. Dazu wird die vorhergesagte ALP-Strahlung in ein EBL-Modell zur Beschreibung der Röntgen-, Ultraviolett- und optischen Spektralbereiche implementiert. Anschließend werden diese Vorhersagen mit beobachteten oberen Limits verglichen, um Einschränkungen im Zusammenhang mit dem Masse–Kopplungs-Parameterraum der ALPs abzuleiten. Messungen der Raumsonde New Horizons zeigen einen anhaltenden Überschuss in der EBL-Intensität, der durch ALP-Zerfall erklärt werden könnte.

Im zweiten Teil der Arbeit wird niebla vorgestellt. Dabei handelt es sich um eine Open-Source Python Bibliothek zur Modellierung der optischen und infraroten Bereiche des EBL basierend auf der Phänomenologie der EBL Quellen. Die Bibliothek enthält Vorschriften für Sternemission, Staubabsorption und -reemission sowie optionale Komponenten wie „stripped Stars“, intra-Halo-Licht und ALP-Zerfall. Es werden mehrere EBL-Modelle unter Verwendung unterschiedlicher Staubvorschriften erstellt und untersucht, wie diese die Abschwächung hochenergetischer Gammastrahlen durch Paarbildung mit Hintergrundphotonen beeinflussen. Simulierte Beobachtungen des Blazars Markarian 501 zeigen, dass sich unter der Annahme eines einfachen intrinsischen Quellspektrums bestimmte EBL‑Modelle voneinander unterscheiden lassen, wobei dies bei komplexeren Quellspektren komplizierter wird.

Im letzte Teil der Arbeit wird die Gammastrahlensignaturen von WIMPs anhand magnetohydrodynamischer Simulationen von galaktischen Systemen ähnlich der Milchstraße aus der Auriga-Reihe demonstriert. Diese Simulationen, zusammen mit entsprechenden Läufen, die nur Dunkle Materie enthalten, ermöglichen eine Bewertung des Einflusses baryonischer Materie auf die Subhalo-Population. Dabei wird ein Repopulation-Algorithmus verwendet, um Subhalos unterhalb der Auflösung der Simulation zu modellieren, und es werden Szenarien untersucht, in denen Subhalos nahe dem galaktischen Zentrum fragil oder widerstandsfähig gegenüber der Gezeitenkräfte sind. Repopulierte Subhalos unterhalb der Auflösungsgrenze können im Gammabereich prominent sein, insbesondere bei Repopulationen, die baryonische Prozesse berücksichtigen und eine widerstandsfähige Subhalo-Population annehmen. Die Ergebnisse zeigen außerdem, dass baryonische Effekte die bestehenden Grenzen an die Annihilationsquerschnitte aus dunklen Satelliten abschwächen, während eine erhöhte Widerstandsfähigkeit von Subhalos diese Reduktion teilweise ausgleichen kann.

Zusammen zeigen diese Studien sowohl die Einschränkungskraft als auch die derzeitigen Grenzen indirekter DM‑Suchen auf und stellen gleichzeitig Software sowie Methodologien zur Verfügung, die zukünftige Analysen unterstützen.