Gravitational microlensing toward the Andromeda Galaxy [Elektronische Ressource] : a search for dark matter in M31 / submitted by Arno Riffeser

Arno Riffeser

Sujets

• Astronomie

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• Publié par: ludwig-maximilians-universitat_munchen
• Publié le: 01 janvier 2006
• Nombre de lectures: 26
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 20 Mo

Extrait

GRAVITATIONAL MICROLENSING
TOWARD THE ANDROMEDA GALAXY:
A SEARCH FOR DARK MATTER IN M31
ArnoRiffeserGRAVITATIONAL MICROLENSING
TOWARD THE ANDROMEDA GALAXY:
A SEARCH FOR DARK MATTER IN M31
Dissertation
ander
¨ ¨Ludwig–Maximilians–Universitat(LMU)Munchen
Ph.D.Thesis
atthe
Ludwig–MaximiliansUniversity(LMU)Munich
submittedby
ArnoRiffeser
thbornon24 April1973inBozen
thMunich,4 January2006st1 Evaluator: Prof.Dr.RalfBender
nd2 Ev Prof.Dr.AndreasBurkert
thDateoftheoralexam: 24 February2006Contents
Contents vii
ListofFigures xiii
ListofTables xvii
Zusammenfassung xix
1 Introduction 1
1.1 DarkMatter-Machos-Microlensing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
Rotationcurves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
Galaxyclusters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
Thecosmicmicrowavebackground . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
Supernovae . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
BigBangnucleosynthesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
Theenergybudgetoftheuniverse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
DarkMattercandidates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
Baryonicmatter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
Gravitationallensing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
Microlensing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6towardM31 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
Theoryofmicrolensing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
TheWendelsteinCalarAltoPixellensingProject . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.2 Outlineofthethesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2 Theoryofmicrolensingtowardcrowdedfields 15
2.1 Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.2 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.3 BasicsofLensingbyaPointMass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.3.1 FiniteSourceEffects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.3.2 ExtractingObservablesfromLightCurves . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
MeasuringΔ andt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21F FWHM
ConstrainingF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
Evaluatingt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24E
2.4 DistributionFunctionforLensParameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25viii CONTENTS
2.4.1 DistanceandMassDistribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.4.2 VelocityDistributionforLenses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.4.3 MaximumLightCurveEventDefinition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
StandardEventDefinitionandMaximumLightCurveEventDefinition . . . 26
2.4.4 ImpactParameterDistributionforEvents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.5 TheSourceDistributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.5.1 TheTransverseLens sourceVelocityDistribution . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.5.2 TheLuminosityFunction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.5.3 TheNumberDensityofSources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.5.4 IncludingtheColorandRadiusInformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.6 ApplicationsfortheMicrolensingRegime . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.6.1 OpticalDepthτ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.6.2 Single starEventRate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.6.3 DistributionfortheEinsteinTimescale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.6.4 TheAmplificationDistribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.6.5 TheDistributionfortheFWHMTimescale . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.7 ApplicationsforthePixel LensingRegime . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.7.1 ChangingVariablesofΓ tot andΔ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45FWHM F
EventRateperStarwithAbsoluteMagnitudeM . . . . . . . . . . . . . . . 45
EventRateperArea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.7.2 IncludingColorInformationintheEventRate . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.7.3 EventRateTakingintoAccountFiniteSourceEffects . . . . . . . . . . . . 48
2.8 Application to Experiments: Total Event Rates and Luminosity Function of Lensed
Stars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
2.8.1 “Peak Threshold”forEventDetection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
2.8.2 “Event Threshold”forEvent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
min min2.8.3 Total Event Rate with Excess Flux Threshold Δ and Timescale tF FWHM
Threshold . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
2.8.4 TheLuminosityFunctionSensitivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
2.9 TheLensMassProbabilityDistributionforIndividualLensingEvents . . . . . . . . 68
meas2.9.1 TheLensMassProbabilityDistribution,ObtainedfromtheObservablet 68E
meas2.9.2 TheLensMassution,fromtheabletFWHM
measandu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
0
2.9.3 The Lens Mass Probability Distribution, Obtained from the Observables
meas meas meast ,Δ ,andC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70FWHM F
2.10 ConclusionsandOutlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3 AphotometricandkinematicmodelofM31 75
3.1 Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.2 DensityDistribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.2.1 BulgeofM31 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.2.2 DiskofM31 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.2.3 HaloofM31 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
3.2.4 HalooftheMilkyWay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
3.3 TheMassFunction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80CONTENTS ix
3.3.1 TheMassFunctionforthebulgeanddisksources . . . . . . . . . . . . . . . 80
3.3.2 TheMassfortheHalo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
3.4 TheLuminosityFunctionandCMDiagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
3.5 Radius BrightnessRelationsforStars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
3.6 TheVelocityDistributionsfortheM31Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
3.6.1 AdditionalRotationforLensesandSources . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
3.6.2 Observer’sMotion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4 TheWendelsteinCalarAltoPixellensingProject(WeCAPP) 85
4.1 Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.2 TelescopesandInstruments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.3 ObservingStrategy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4.4 TheData . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.5 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
4.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
5 Optimalimageanalysis 97
5.1 Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
5.2 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
5.3 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
5.4 Nameconvention . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
5.5 Standardreduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
5.5.1 Saturationandblooming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
5.5.2 Biascorrection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
5.5.3 Generationoftheerrorframe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
5.5.4 Darkcorrection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
5.5.5 Shutter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
5.5.6 Badpixels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
5.5.7 Photosensitiveregion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
5.5.8 Lowcountspixels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
5.6 Flatfieldcorrection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
5.6.1 Flatfieldingphilosophy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
5.6.2 Absorptionanddistortion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
5.6.3 Observationstrategyforflatfields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
5.6.4 Theimportanceoferrorpropagation–ananalyticexample . . . . . . . . . . 108
5.6.5 Calibrationimages(“masterflats”)fromdomeflatsandscienceframe . . . . 110
5.6.6 Measuringthetrueillumination . . . . . . . . . . . . . . . . . .