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Automatic detection of gravitational lenses in astronomical image data [Elektronische Ressource] / put forward by Gregor Seidel

85 pages
Dissertationsubmitted to theCombined Faculties for the Natural Sciences and for Mathematicsof the Ruperto-Carola University of Heidelberg, Germanyfor the degree ofDoctor of Natural SciencesPut forward byDiplom-Physicist: Gregor SeidelBorn in: Chemnitz, GermanyOral examination: 17.11.2009Automatic Detection of Gravitational Lenses inAstronomical Image DataReferees: Prof. Dr. Matthias BartelmannProf. Dr. Joachim WambsganssZusammenfassungDer starke Gravitationslinseneekt kann sowohl entfernte Lichtquellen vergroßert¨ abbildenalso auch die Massenverteilung zwischen einer entfernten Quelle und dem Beobachtersondieren, und hat sich daher zu einem wichtigen astronomischen Hilfsmittel entwick-elt, welches verwendet wird um kosmologische Parameter einzugrenzen, die projizierteMassenverteilung von Galaxienhaufen zu rekonstruieren und deren Dynamik zu analysieren.Die statistischen Anzahldichten von durch den starken Gravitationslinseneekt an Galax-¨ ¨ienhaufen in Bogen projizierten Hintergrundgalaxien zu bestimmen konnte zu unseremVerstandniss¨ der kosmologischen Strukturbildung beitragen; diese Bogenstatistik wird durchpotentiell erhebliche systematische Eekte in der Auswahl von als Linsen wirkenden Galax-ienhaufen aber wesentlich erschwert.
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Dissertation submitted to the Combined Faculties for the Natural Sciences and for Mathematics of the Ruperto-Carola University of Heidelberg, Germany for the degree of Doctor of Natural Sciences
Put forward by
Diplom-Physicist:
Born in:
Gregor Seidel
Chemnitz, Germany
Oral examination: 17.11.2009
Automatic Detection of Gravitational Lenses in Astronomical Image Data
Referees:
Prof. Dr. Matthias Bartelmann Prof. Dr. Joachim Wambsganss
Zusammenfassung
Der starke Gravitationslinsene ßert abbildenekt kann sowohl entfernte Lichtquellen vergro¨ also auch die Massenverteilung zwischen einer entfernten Quelle und dem Beobachter sondieren, und hat sich daher zu einem wichtigen astronomischen Hilfsmittel entwick-elt, welches verwendet wird um kosmologische Parameter einzugrenzen, die projizierte Massenverteilung von Galaxienhaufen zu rekonstruieren und deren Dynamik zu analysieren. Die statistischen Anzahldichten von durch den starken Gravitationslinseneekt an Galax-ienhaufen in Bogen projizierten Hintergrundgalaxien zu bestimmen ko¨ nnte zu unserem ¨ Verst¨andnissderkosmologischenStrukturbildungbeitragen;dieseBogenstatistikwirddurch potentiell erhebliche systematische Eekte in der Auswahl von als Linsen wirkenden Galax-ienhaufen aber wesentlich erschwert. Um eine großere Menge von Gravitationslinsen, ¨ die nicht durch undefinierte Systematiken belastet ist, bereitzustellen, wurde im Rahmen dieser Doktorarbeit ein ezientes, automatisiertes Bogenerkennungsprogramm und eine neueMethodezurErkennungvonl¨anglichenStruktureninBildernentwickelt.DerDetek-tionsalgorithmus bedient sich dabei lokal koha¨renter Strukturen und kann selbst lichtschwache B¨ogenezient erkennen. Algorithmen zur weiteren Klassifikation von Detektionen und zur Entfernung von Fehldetektionen wurden ebenfalls entwickelt. Zur Kalibrierung und um die EmpndlichkeitdesProgrammesaufB¨ogenmitverschiedenenscheinbarenHelligkeitenzu bestimmen wurde das fertige Programm auf simulierte Bilder angewandt. Die Anwendung auf reale ACS Bilder resultierte in 24 neuen potentiellen galaktischen Gravitationslinsen.
Abstract
Strong gravitational lensing can magnify distant sources and also provides a direct probe of the mass density between source and observer. For these reasons, it has become an important tool in astronomy. Among other applications, it is used to constrain cosmological parameters, reconstruct the projected mass distribution of galaxy clusters and study their dynamics. Determining the statistical abundance of background galaxies projected into heavily distorted arcs by galaxy cluster lenses could improve our understanding of large scale structure formation, but arc statistics is particularly dicult due to possibly significant biases in the selection of galaxy cluster lenses. In order to provide a larger, unbiased sample of strong lenses, an esoftware that uses a novel approach tocient, automated arc detection detect elongated structures in images was developed for this PhD thesis. The new detection algorithm is based on locally coherent features and is capable of detecting even faint arcs with high computational e algorithms were developed to classifyciency. Postprocessing the detections and to remove false positives. For calibration and to determine its sensitivity to arcs of dierent magnitudes the completed software was applied to simulated images. The application to real ACS images resulted in 24 new galaxy-type lens candidates.
Introduction 1.1 Scientific Relevance of Giant Arcs . . . 1.1.1 General Classes of Gravitational 1.1.2 Cluster Reconstruction . . . . . 1.1.3 Arc Statistics . . . . . . . . . . 1.2 Recent Arc Detection Algorithms . . . 1.2.1 Lens Based Algorithms . . . . . 1.2.2 Source Based Algorithms . . .
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Image Analysis 2.1 The Data . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.1 Image Degrading Eects . . . . 2.1.2 Dithering/ . . . . .Drizzling . 2.2 Arcfinder Detection Algorithm . . . . . 2.2.1 Cell Placement . . . . . . . . . 2.2.2 Cell Transport . . . . . . . . . 2.2.3 Cell Orientation . . . . . . . . . 2.2.4 Finding Coherent Features . . . 2.2.5 Object Generation . . . . . . . 2.3 Postprocessing . . . . . . . . . . . . . 2.3.1 Background & Noise Estimation 2.3.2 Histogram Equalisation . . . . .
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. Cell Reevaluation . . . . . . . . . Generation of Path Graphs . . . . Active Contour Segmentation . .
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2.3.3 2.3.4 2.3.5 2.3.6 2.3.7
2.3.8 Classification of Candidates . . . . . 2.3.9 Masking of Stellar Artefacts . . . . . 2.3.10 Spiral Galaxy Detection . . . . . . . Summary of Detection and Filter Parameters .
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Basic Contour Evolution . . . . . Arcfinder Image Segmentation . .
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Contents
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Application to Simulated Images 3.1 Preparing the Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2 Regarding the Completeness and Spurious Detections
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2.4
45 . 46 . 46
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63 63 64
ii
5
Contents
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Appendix 67 6.1 Relation of the Ellipse Orientation and the Complex Ellipticity . . . . . . . 6.2 Pixel Reweighting to Account for a Partial Disc Overlap . . . . . . . . . .
1 1
4
Application on COSMOS ACS Images 4.1 Galaxy Lens Candidates . . . . . . 4.2 Spurious Detections . . . . . . . .
51 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
Summary, Conclusions and Outlook 5.1 Method and Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2 Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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