Transcript Cover Page The handle http://hdl.handle.net/19107 holds

Cover Page
The handle http://hdl.handle.net/1887/19107 holds various files of this Leiden University
dissertation.
Author: Velander, Malin Barbro Margareta
Title: Studying dark matter haloes with weak lensing
Issue Date: 2012-06-20
Svensk sammanfattning
M¨
ork materia och kosmologi
Det kan verka f¨
orbluffande, men de stj¨arnor och galaxer vi ser n¨
ar vi blickar
upp˚
at ¨
ar bara en liten del av det som verkligen finns ute i v˚
art universum.
Inte ens de mest avancerade teleskopen p˚
a jorden eller i rymden kan urskilja
den materia som omsluter alla k¨anda ljusk¨
allor eftersom den inte avger eller
absorberar n˚
agot ljus. D¨arf¨or kan vi inte ‘se’ den i ordets traditionella mening,
och den har d¨
arav f˚
att namnet m¨
ork materia. Denna osynliga materia p˚
averkar
d¨
aremot genom sin tyngdkraft allt vi ser, fr˚
an v˚
ar egen galax till universums
yttersta kant, och det ¨
ar s˚
a vi k¨anner till dess existens.
Kosmologi ¨
ar l¨aran om universums ursprung och utveckling. Eftersom m¨ork
materia har haft s˚
a stor inverkan p˚
a denna process fr˚
an dess allra f¨orsta b¨
orjan
f¨
or 13,7 miljarder ˚
ar sedan, s˚
a ¨ar vi som kosmologer s¨arskilt intresserade av hur
den beter sig i olika omgivningar. Simuleringar som utnyttjar alla de intrikata
fysikaliska lagar som vi hittills uppt¨ackt visar oss att den m¨orka materien ¨ar
f¨
ordelad i ett n¨
atverk av filament som p˚
a engelska kallas f¨or the Cosmic Web (se
Figur 8.1). D¨ar filamenten korsas skapas stora moln, eller haloer, av m¨ork materia d¨
ar stj¨
arnor och galaxer ackumuleras. Genom observationer kan vi skapa
kartor ¨
over f¨
ordelningen av m¨ork materia och genom att j¨
amf¨
ora s˚
adana kartor
med f¨
oruts¨
agelserna fr˚
an simuleringarna s˚
a kan vi avg¨
ora om v˚
ara fysikaliska
lagar ¨
ar korrekta.
Det finns m˚
anga s¨att att unders¨
oka m¨ork materia p˚
a och olika tekniker
anv¨ands f¨
or olika rymdmilj¨
oer, men en teknik som kan till¨
ampas i de flesta fall
ar svag gravitationslinsning. Gravitationslinser anv¨ander, som namnet antyder,
¨
gravitation till att b¨
oja ljus fr˚
an avl¨
agsna bakgrundsgalaxer i en process som kan
liknas vid en vanlig lins i till exempel ett par glas¨ogon. En gravitationslins kan
best˚
a av vilken ansamling av massa som helst, s˚
asom en galaxhop, en enstaka
galax eller bara ett tunt m¨orkt filament. N¨
ar materien ¨ar mycket koncentrerad
orsakar den en kraftig f¨
orvr¨
angning av bilden av bakgrundsgalaxen, vilket resulterar i de vackra b˚
agar som syns i galaxhopar som Abell 2218 (Figur 8.2). Eftersom en st¨
orre masskoncentration inneb¨ar mer f¨orvr¨
angning s˚
a kan vi anv¨anda
dessa b˚
agar till att h¨
arleda var den m¨orka materien finns. N¨
ar masskoncentrationen ¨
ar l˚
ag, vilket f¨orekommer i huvudsak ¨overallt annars i universum, s˚
a
kan vi anv¨anda svagare linsningsdistorsioner, kallade shear, till att statistiskt
162
SVENSK SAMMANFATTNING
Figur 8.1 Millenniumsimuleringens vision av v˚
art universum som det ser ut
idag, skapad av Volker Springel och hans medarbetare. Det vi ser ¨
ar filamenten
tillh¨
orande det kosmiska n¨
atverk som p˚
a engelska ben¨
amns the Cosmic Web, med
en ansamling av m¨
ork materia i mitten. Ansamlingen motsvarar en mycket rik
galaxhop.
Figur 8.2 Exempel p˚
a gravitationslinsning: den rika galaxhopen Abell 2218
avbildad med hj¨
alp av rymdteleskopet Hubble Space Telescope 1999. Bildk¨
alla:
NASA/ESA, A. Fruchter och ERO-teamet (STScI, ST-ECF).
fastst¨
alla var den m¨orka materien finns; det ¨ar detta som den svaga linsningstekniken utr¨
attar.
Med den h¨
ar Avhandlingen har jag som m˚
als¨attning att ¨oka v˚
ar kunskap
om f¨ordelningen av materia i galaxer och galaxhopar, b˚
ade genom att utveckla
163
SVENSK SAMMANFATTNING
den teoretiska sidan av svag gravitationslinsning och genom att anv¨anda stora
optiska datainsamlingar till att observera den svaga linseffekten i verkligheten.
Jag skildrar mitt arbete i de fyra separata men sammanl¨ankade Kapitlen som
finns sammanfattade h¨
arnedan.
Denna Avhandling
Jag b¨
orjar Avhandlingen med att i Kapitel 1 ge en kort ¨oversikt av kosmologins
aktuella status och av de olika s¨att som finns tillg¨angliga f¨or att studera v˚
art
universum i sin helhet. D¨ar ger jag ¨aven en mer ing˚
aende introduktion till svag
gravitationslinsning och till de programvaror som finns till hands f¨or att m¨ata de
svaga linsningsdistorsionerna av bakgrundsgalaxer. D¨arefter f¨oljer Kapitel d¨
ar
jag mer detaljerat beskriver min forskning under de senaste fyra ˚
aren, varav en
del redan har publicerats i Monthly Notices of the Royal Astronomical Society
(MNRAS). Jag sammanfattar h¨
ar dessa Kapitel.
Kapitel 2: En ny distorsionsm¨
atningsmetod och dess till¨
ampning p˚
a
galaxer med f¨
arggradienter i gravitationslinsningsunders¨
okningar
Som en av kosmologins mest kraftfulla metoder s˚
a ¨ar svag gravitationslinsning
nu den fr¨amsta drivkraften bakom n˚
agra av de mest omfattande aktuella optiska
datainsamlingarna som n˚
agonsin gjorts. Teknikens statistiska karakt¨ar kr¨
aver
analys av ett stort antal bakgrundsgalaxer, och de minimala distorsionerna det
handlar om fordrar data av h¨
og kvalitet och ytterst exakta distorsionsm¨atningar.
Mjukvara f¨
or svag linsningsteknik m˚
aste d¨
arf¨or vara b˚
ade snabb och korrekt,
och en s˚
adan programsvit introduceras och testas i detta Kapitel. Denna MV
pipeline har visat sig vara mycket konkurrenskraftig, med den extra egenskapen
att kunna m¨ata linsf¨
orvr¨
angningar av h¨
ogre ordning ¨an shear, ¨aven kallade flexion. De tester som beskrivs i detta Kapitel inbegriper b˚
ade monokromatiska
och polykromatiska simuleringar, d¨
ar de senare har inkluderats f¨or att bed¨oma
effekten av en v˚
agl¨
angdsberoende punktspridningsfunktion (PSF) f¨ororsakad av
teleskopet. Eftersom de flesta galaxer uppvisar f¨arggradienter, med en k¨arna
som har en annan f¨
arg ¨an utkanten, kommer en v˚
agl¨
angdsberoende PSF att
p˚
averka skilda delar av galaxavbildningen olika. S˚
aledes kan viss felaktighet introduceras om PSF:en inte korrigeras f¨or exakt resultat. Genom att skapa simuleringar baserade p˚
a verkliga galaxer som observerats i tv˚
a olika filter, finner vi
att extra felaktigheter orsakade av denna effekt inte ¨ar v¨arre ¨an de felaktigheter
som finns i sj¨alva m¨atningsprogramvaran. Vi drar slutsatsen fr˚
an v˚
ara tester
att om tillr¨acklig m¨angd tr¨aningsdata ges s˚
a kommer vi sannolikt att kunna
karakt¨arisera f¨
arggradienteffekten tillr¨ackligt noggrant f¨or att kunna korrigera
f¨
or den i framtida unders¨
okningar s˚
asom det rymdbaserade Euclid-uppdraget
med planerad uppskjutning ˚
ar 2019.
Kapitel 3: Studie av galaktiska m¨
orkmateriehaloer i COSMOS-unders¨
okningen med svag gravitationslinsningsflexion
Nuvarande teorier om strukturbildning f¨orutsp˚
ar att galaxer ¨ar inneslutna i
omfattande haloer best˚
aende av m¨ork materia. Haloerna f¨
orv¨antas ha specifika
densitetsprofiler och med svag gravitationslinsning kan vi unders¨
oka dessa profiler p˚
a flera skalor. P˚
a sm˚
a skalor kompletterar distorsioner av h¨
ogre ordning,
164
SVENSK SAMMANFATTNING
som kallas flexion, distorsionsm¨
atningarna med h¨
ogre detaljnoggrannhet. Vi
presenterar i detta Kapitel den f¨
orsta detekteringen av en flexionsignal kring
galaxer i rymdbaserade data. Signalen har erh˚
allits med hj¨
alp av the MV
pipeline som introducerats och testats i Kapitel 2. Vi kombinerar denna flexionsignal med shear f¨
or att definiera den genomsnittliga densitetsprofilen hos
galaxerna i Hubble Space Telescopes COSMOS-unders¨
okning. Vi visar ocks˚
a att
ljuset fr˚
an n¨
arliggande ljusk¨
allor kan ha en betydande effekt p˚
a flexionsm¨atningar.
Efter korrigering f¨
or p˚
averkan av galaxlinsernas ljus visar vi att inkluderingen
av flexion ger str¨angare restriktioner p˚
a densitetsprofiler ¨an vad enbart shear
g¨
or.
Kapitel 4: Relationen mellan galaxers m¨
orkmateriehaloer och baryoner i CFHTLS via svag gravitationslinsning
Eftersom m¨orkmateriehaloer ¨
ar s˚
a omfattande ¨ar det viktigt att unders¨
oka b˚
ade
stora och sm˚
a skalor f¨
or att f¨
orst˚
a mer om det inflytande m¨ork materia har p˚
a
normala atomer, och vice versa. Svag linsning har f¨orm˚
agan att g¨
ora detta eftersom tekniken inte bara ¨
ar k¨anslig p˚
a flera avst˚
andsskalor, utan ocks˚
a oberoende
av vilken typ av materia som studeras. I detta Kapitel presenterar vi en studie
av de generella egenskaperna hos galaxers m¨orka haloer som en funktion av
egenskaperna hos deras v¨ardgalaxer med hj¨
alp av data fr˚
an en av de st¨orsta
f¨ardigst¨
allda svaga linsningsunders¨
okningarna hittills: CFHTLS. Vi delar in
linsgalaxerna i en r¨od och en bl˚
a kategori och bekr¨aftar att det finns ett klart
samband mellan den m¨orka halomassan och luminositet, och mellan halomassan
och stj¨arnmassan. Dessa relationer a¨r olika f¨or bl˚
a och r¨oda galaxer, och vi finner
ocks˚
a indikationer p˚
a att bl˚
a galaxer vistas i mindre klustrade omgivningar ¨an
vad r¨oda galaxer g¨
or.
Kapitel 5: Unders¨
okning av galaxhopsprofiler via svag linsningsshear
och -flexion
Galaxhopar ¨
ar viktiga f¨
or v˚
ar f¨
orst˚
aelse av bakgrundskosmologin eftersom deras
antal som en funktion av massa och avst˚
and fr˚
an oss beror p˚
a kosmologiska
parametrar. Majoriteten av massan i en galaxhop ¨ar i form av m¨ork materia,
och f¨or att vi ska l¨ara oss mer om kosmologi m˚
aste denna massa noggrant
ber¨aknas trots att bara synliga storheter finns att tillg˚
a. Svag linsning har, som
redan n¨
amnts, f¨
orm˚
agan att kartl¨
agga m¨orka haloers densitetsprofiler p˚
a b˚
ade
sm˚
a och stora skalor. F¨or att kunna dra full nytta av detta m˚
aste galaxhopens
profil omsorgsfullt modelleras ¨
aven om dess centrum inte ¨ar exakt fastst¨
allt. I
detta Kapitel har vi tagit fram ocentrerade profiler f¨or b˚
ade shear och flexion.
Vi visar ocks˚
a att lutningen p˚
a kurvan f¨or den differentiella ytdensiteten kan
erh˚
allas via en enkel kombination av flexioner. Dessa flexioner ¨ar k¨ansliga f¨or
sm˚
a variationer i densitet, vilket g¨
or dem till viktiga komplement till shear.
Genom en serie tester finner vi att detta ¨ar s¨arskilt relevant n¨
ar det g¨
aller att
kartl¨agga den ocentrerade galaxhopsprofilen.
165