We discuss the impact of dark matter self-heating on the gravitational clustering of dark matter. This thesis consists of two parts. The first part is devoted to discuss the impact of dark matter self-heating on the dark matter density profiles of galaxies. Dark matter self-heating is a heating mechanism of dark matter that is a collaboration of two kinds of dark matter interactions that are secluded from the Standard Model: elastic self-scattering and exothermic scattering of dark matter. Inside a galaxy, exothermic scatterings of dark matter produce energetic dark matter particles, which are captured before escaping a galaxy through elastic self-scatterings of dark matter. The excess kinetic energy of the captured particles modify the structure of galaxies, which may be observed through astronomical observations, e.g., by measuring the galactic rotation curves. By employing the semi-analytic gravothermal fluid method, we sharpen the prediction of dark matter self-heating on structures of galaxies, and discuss how dark matter self-heating may be constrained through astronomical observations. In the second part of this thesis, we discuss the impact of dark matter self-heating on the thermal history of dark matter. The same dark matter self-heating that takes place inside galaxies could also heat dark matter in the early Universe. The dark matter self-heating could potentially affect the relic abundance of dark matter, and the evolution of the dark matter density perturbations in the early Universe. By taking semi-annihilation of dark matter as an example, we clarify the determination of dark matter relic abundance and the thermal history of dark matter in the presence of the self-heating. Accommodation of longer period of the self-heating in the early Universe may result in hotter dark matter particles. The resultant warmness can be constrained by the Lyman-$\alpha$ forest observations, which provides a lower bound on dark matter mass in the scenario of dark matter self-heating.
본 학위논문에서는 암흑물질의 자가 발열 과정의 암흑물질의 중력을 통한 우주의 구조형성에 미치는 영향에 대해 논합니다. 본 학위논문은 크게 두 부분으로 나누어져 있습니다. 첫 번째로 암흑물질 자가 발열 과정이 은하의 질량 밀도 분포에 미치는 영향에 대해 고찰합니다. 암흑물질 자가 발열 과정은 표준 모형과 분리된 암흑물질 입자들 간의 두 가지 상호작용이 존재할 경우 나타나는 효과입니다; 그 두 가지 상호 작용은 암흑물질 입자들 간의 탄성 충돌, 그리고 발열 충돌입니다. 은하에 중력으로 뭉쳐 존재하는 암흑물질 입자들은 발열 충돌을 통해 질량 에너지를 운동에너지로 변환하여 빛의 속도에 가깝게 움직이는 고에너지의 암흑물질 입자를 생성합니다. 발열 충돌을 통해 생성된 고에너지 암흑물질 입자들의 일부는 은하를 탈출하기 전 암흑물질들 간의 탄성 충돌에 의해 포획됩니다. 포획된 고에너지 암흑물질 입자들의 운동에너지는 다른 암흑물질 입자들을 발열시키며, 이러한 자가 발열 과정은 은하의 질량 분포를 변화시킵니다. 그러한 은하의 질량 분포의 변화는 은하의 회전 곡선에 관측 가능한 흔적을 남깁니다. 따라서 우리 자연에 암흑물질의 자가 발열 과정이 존재한다면 우리는 은하의 회전 곡선에 대한 관측을 통해 암흑물질의 자가 발열 과정의 간접적인 증거를 탐색할 수 있습니다. 본 학위논문에서는 은하 안의 암흑물질 입자들을 유체 시스템으로 근사하여 유체 시뮬레이션을 통해 암흑물질 자가 발열 과정이 은하의 구조에 미치는 영향을 정량적으로 예측하며, 이를 통해 천문학적인 관측을 통해 암흑물질 자가 발열 과정을 탐색하는 방법에 대해 논합니다. 두 번째로 우리는 암흑물질 자가 발열 과정이 초기 우주에서 암흑물질의 열적 역사에 어떠한 영향을 주는지 고찰합니다. 현재 우주의 은하 안에서와 비슷하게 초기의 우주에서도 높은 암흑물질의 밀도 때문에 전 우주적으로 균일하게 자가 발열 과정이 일어납니다. 초기 우주에서의 암흑물질 자가 발열 과정은 현재 우주에서 관측되는 암흑물질의 농도에 영향을 줄 수 있으며, 초기 우주에서의 암흑물질 밀도 요동의 진화에 영향을 줄 수 있습니다. 본 학위논문에서는 암흑물질의 준-소멸 과정을 예시로 하여 암흑물질 자가 발열 과정이 암흑물질의 초기 우주 열적 역사에 미치는 영향을 탐구합니다. 초기 우주에서의 암흑물질 자가 발열 과정의 기간이 길수록 암흑물질 입자들은 더 뜨거워집니다. 암흑물질 입자들의 따뜻함은 먼 초신성에서 오는 빛의 라이먼-알파 흡수선에 대한 관측을 통해 간접적으로 유추할 수 있으며, 이는 암흑물질 질량에 하한을 제공합니다.