TY  - THES
A1  - Dominis, Dijana
T1  - The role of binary stars in searches for extrasolar planets by microlensing and astrometry
T1  - Die Rolle der Doppelsterne bei der Suche nach extrasolaren Planeten durch Mikrogravitationslinseneffekte und Astrometrie
N2  - When Galactic microlensing events of stars are observed, one usually measures a symmetric light curve corresponding to a single lens, or an asymmetric light curve, often with caustic crossings, in the case of a binary lens system. In principle, the fraction of binary stars at a certain separation range can be estimated based on the number of measured microlensing events. However, a binary system may produce a light curve which can be fitted well as a single lens light curve, in particullary if the data sampling is poor and the errorbars are large. We investigate what fraction of microlensing events produced by binary stars for different separations may be well fitted by and hence misinterpreted as single lens events for various observational conditions. We find that this fraction strongly depends on the separation of the binary components, reaching its minimum at between 0.6 and 1.0 Einstein radius, where it is still of the order of 5% The Einstein radius is corresponding to few A.U. for typical Galactic microlensing scenarios. The rate for misinterpretation is higher for short microlensing events lasting up to few months and events with smaller maximum amplification. For fixed separation it increases for binaries with more extreme mass ratios. Problem of degeneracy in photometric light curve solution between binary lens and binary source microlensing events was studied on simulated data, and data observed by the PLANET collaboration. The fitting code BISCO using the PIKAIA genetic algorithm optimizing routine was written for optimizing binary-source microlensing light curves observed at different sites, in I, R and V photometric bands. Tests on simulated microlensing light curves show that BISCO is successful in finding the solution to a binary-source event in a very wide parameter space. Flux ratio method is suggested in this work for breaking degeneracy between binary-lens and binary-source photometric light curves. Models show that only a few additional data points in photometric V band, together with a full light curve in I band, will enable breaking the degeneracy. Very good data quality and dense data sampling, combined with accurate binary lens and binary source modeling, yielded the discovery of the lowest-mass planet discovered outside of the Solar System so far, OGLE-2005-BLG-390Lb, having only 5.5 Earth masses. This was the first observed microlensing event in which the degeneracy between a planetary binary-lens and an extreme flux ratio binary-source model has been successfully broken. For events OGLE-2003-BLG-222 and OGLE-2004-BLG-347, the degeneracy was encountered despite of very dense data sampling. From light curve modeling and stellar evolution theory, there was a slight preference to explain OGLE-2003-BLG-222 as a binary source event, and OGLE-2004-BLG-347 as a binary lens event. However, without spectra, this degeneracy cannot be fully broken. No planet was found so far around a white dwarf, though it is believed that Jovian planets should survive the late stages of stellar evolution, and that white dwarfs will retain planetary systems in wide orbits. We want to perform high precision astrometric observations of nearby white dwarfs in wide binary systems with red dwarfs in order to find planets around white dwarfs. We selected a sample of observing targets (WD-RD binary systems, not published yet), which can possibly have planets around the WD component, and modeled synthetic astrometric orbits which can be observed for these targets using existing and future astrometric facilities. Modeling was performed for the astrometric accuracy of 0.01, 0.1, and 1.0 mas, separation between WD and planet of 3 and 5 A.U., binary system separation of 30 A.U., planet masses of 10 Earth masses, 1 and 10 Jupiter masses, WD mass of 0.5M and 1.0 Solar masses, and distances to the system of 10, 20 and 30 pc. It was found that the PRIMA facility at the VLTI will be able to detect planets around white dwarfs once it is operating, by measuring the astrometric wobble of the WD due to a planet companion, down to 1 Jupiter mass. We show for the simulated observations that it is possible to model the orbits and find the parameters describing the potential planetary systems.
N2  - Bei von Sternen verursachten Mikrolinsen-Ereignissen beobachtet man meist symmetrische Lichtkurven einer einzelnen Linse oder asymmetrische Lichtkurven (oftmals mit Kaustik-Crossing), die durch Doppel-Linsen hervorgerufen werden. Im Prinzip kann aus der Zahl der gemessenen unsymmetrischen Ereignisse der Anteil der Doppelstern-Systeme in Abhängigkeit vom Winkelabstand abgeschätzt werden. Allerdings kann auch ein Doppelsystem Lichtkurven erzeugen, die gut mit einer Einzellinsen-Lichtkurve gefittet werden können. Die gilt insbesondere bei lückenhafter Messung oder grossen Messfehlern. In dieser Arbeit wird für verschiedene Beobachtungsbedingungen untersucht, wie häufig Lichtkurven, die von Doppellinsen mit unterschiedlichen Abständen erzeugt werden, gut mit Einzellinsen-Lichtkurven gefittet werden können und damit fehlinterpretiert werden. Es wurde herausgefunden, dass der Anteil fehlinterpretierter Lichtkurven stark von der Separation der Komponenten abhängig ist: das Minimum liegt zwischen 2 A.E. and 5 A.E. , wobei der Anteil immer noch 5% beträgt. Die Rate der Fehlinterpretationen ist höher für kurze Mikrolinsen-Ereignisse (bis zu wenigen Monaten) und für Ereignisse mit geringer Maximalverstärkung. Bei gleicher Separation steigt die Rate mit extremeren Massenverhältnissen an. Das Problem der Degenerierung zwischen den Lichtkurven für doppelte Linsensysteme und doppelte Hintergrund-Quellen wurde anhand simulierter Daten und mit Beobachtungsdaten des PLANET Projekts untersucht. Der Fit-Code BISCO, der den genetischen Algorithmus PIKAIA nutzt, wurde geschrieben, um Doppel-Linsen Lichtkurven, die von verschiedenen Observatorien in den photometrischen Bändern I, B, und V gemessen wurden, zu modellieren. Tests mit simulierten Daten haben gezeigt, dass BISCO in der Lage ist, in einem sehr weiten Parameterbereich die korrekte Lösung für die Lichtkurve einer Doppel-Linsen zu finden. In dieser Arbeit wird die Flussverhältnis-Methode empfohlen, um die Degenerierung zwischen Doppel-Linse und Doppel-Quelle aufzulösen. Modellierungen zeigen, dass nur wenige zusätzliche Datenpunkte im V-Band genügen, um zusammen mit einer vollständigen Lichtkurve im I-Band die Degenerierung aufzubrechen. Mit sehr guter Datenqualität und zeitlich dichten Messungen, kombiniert mit genauer Modellierung von Doppel-Linsen und Doppel-Quellen, gelang die Entdeckung des bisher masseärmsten Planeten ausserhalb des Sonnensystems: OGLE-2005-BLG-390Lb, mit nur 5.5 Erdmassen. Dies war das erste Mikrolinsen-Ereignis, bei dem die Degenerierung zwischen plantarer Doppel-Linse und einer Doppel-Quelle mit extremem Flussverhältnis erfolgreich aufgelöst wurde. Für die Ereignisse OGLE-2003-BLG-222 und OGLE-2004-BLG-347 besteht die Degenerierung trotz sehr dichter Messungen. Aufgrund der Lichtkurvenmodellierung und Argumenten aus der Theorie der Sternentwicklung ist die Erklärung von OGLE-2003-BLG-222 als Doppel-Quelle und OGLE-2004-BLG-347 als Doppel-Linsen Ereignis vorzuziehen. Allerdings kann die Degenerierung ohne spektrale Daten nicht vollständig aufgelöst werden. Bisher wurde kein Planet als Begleiter eines Weissen Zwerges gefunden, obwohl es möglich sein sollte, dass jupiterähnliche Planeten die Spätstadien der Sternentwicklung überleben und dass sich Weisse Zwerge Planetensysteme mit weiten Umlaufbahnen erhalten können. Wir planen hochgenaue astrometrische Beobachtungen von nahen Weissen Zwergen in weiten Doppelsystemen, um Planeten um Weisse Zwerge zu finden. Wir haben eine Stichprobe von Systemen zusammengestellt, in denen möglicherweise Planeten gefunden werden könnten. Wir haben synthetische astrometrische Orbits modelliert, die für diese Systeme mit existierenden und zukünftigen astrometrischen Instrumenten beobachtbar sind. Die Modellierungen wurden für astrometrische Genauigkeiten von 0.01, 0.1, 1.0 Mikrobogensekunden gerechnet. Als Abstände zwischen weissem Zwerg und Planet wurden 3, 5 und 10 Astronomische Einheiten angenommen, für den Abstand zwischen den Doppelsternkomponenten 30 A.E. Als Planetenmassen wurden 10 Erdmassen, bzw. 1 und 10 Jupitermassen gewählt, als Masse für den weissen Zwerg 0.5 und 1.0 Sonnenmassen. Die Distanzen zum System betragen 10 und 20 parsec. Als Resultat dieser Untersuchung wurde herausgefunden, dass das PRIMA Instrument am VLTI in der Lage sein wird, die astrometrischen Oszillationen, die ein Planet ab einer Jupitermasse verursacht, zu detektieren. Wir zeigen, dass es möglich sein wird, die Umlaufbahnen solcher Planeten zu modellieren und damit die Parameter dieser Planetensysteme zu bestimmen.
KW  - Mikrogravitationslinseneffekt
KW  - Astrometrie
KW  - Extrasolare Planeten
KW  - Microlensing
KW  - astrometry
KW  - extrasolar planets
Y1  - 2006
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-10814
ER  - 
TY  - THES
A1  - Pfrang, Konstantin Johannes
T1  - Search for light primordial black holes with VERITAS using gamma γ-ray and optical observations
T1  - Suche nach leichten primordialen Schwarzen Löchern mit VERITAS anhand von Gammastrahlen- und optischen Beobachtungen
N2  - The Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System (VERITAS) is an array of four imaging atmospheric Cherenkov telescopes (IACTs). VERITAS is sensitive to very-high-energy gamma-rays in the range of 100 GeV to >30 TeV. Hypothesized primordial black holes (PBHs) are attractive targets for IACTs. If they exist, their potential cosmological impact reaches beyond the candidacy for constituents of dark matter. The sublunar mass window is the largest unconstrained range of PBH masses. This thesis aims to develop novel concepts searching for light PBHs with VERITAS. PBHs below the sublunar window lose mass due to Hawking radiation. They would evaporate at the end of their lifetime, leading to a short burst of gamma-rays. If PBHs formed at about 10^15 g, the evaporation would occur nowadays. Detecting these signals might not only confirm the existence of PBHs but also prove the theory of Hawking radiation. This thesis probes archival VERITAS data recorded between 2012 and 2021 for possible PBH signals. This work presents a new automatic approach to assess the quality of the VERITAS data. The array-trigger rate and far infrared temperature are well suited to identify periods with poor data quality. These are masked by time cuts to obtain a consistent and clean dataset which contains about 4222 hours. The PBH evaporations could occur at any location in the field of view or time within this data. Only a blind search can be performed to identify these short signals. This thesis implements a data-driven deep learning based method to search for short transient signals with VERITAS. It does not depend on the modelling of the effective area and radial acceptance. This work presents the first application of this method to actual observational IACT data. This thesis develops new concepts dealing with the specifics of the data and the transient detection method. These are reflected in the developed data preparation pipeline and search strategies. After correction for trial factors, no candidate PBH evaporation is found in the data. Thus, new constraints of the local rate of PBH evaporations are derived. At the 99% confidence limit it is below <1.07 * 10^5 pc^-3 yr^-1. This constraint with the new, independent analysis approach is in the range of existing limits for the evaporation rate.
This thesis also investigates an alternative novel approach to searching for PBHs with IACTs. Above the sublunar window, the PBH abundance is constrained by optical microlensing studies. The sampling speed, which is of order of minutes to hours for traditional optical telescopes, is a limiting factor in expanding the limits to lower masses. IACTs are also powerful instruments for fast transient optical astronomy with up to O(ns) sampling. This thesis investigates whether IACTs might constrain the sublunar window with optical microlensing observations. This study confirms that, in principle, the fast sampling speed might allow extending microlensing searches into the sublunar mass window. However, the limiting factor for IACTs is the modest sensitivity to detect changes in optical fluxes. This thesis presents the expected rate of detectable events for VERITAS as well as prospects of possible future next-generation IACTs. For VERITAS, the rate of detectable microlensing events in the sublunar range is ~10^-6 per year of observation time. The future prospects for a 100 times more sensitive instrument are at ~0.05 events per year.
N2  - Das Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System (VERITAS) ist ein Instrument mit vier atmosphärischen Cherenkov-Teleskopen (IACTs). VERITAS ist empfindlich für sehr hoch-energetische gamma-Strahlung im Bereich von 100 GeV bis >30 TeV. Hypothetische primordiale Schwarze Löcher (PBHs) sind interessante Ziele für IACTs. Falls sie existieren, könnte ihr potentieller kosmologischer Einfluss über die Möglichkeit, dass sie ein Bestandteil der dunklen Materie sind, hinausgehen. Der größte nicht eingeschränkte Bereich der PBH-Massen ist das sublunare Fenster. Das Ziel dieser Arbeit ist es, neue Konzepte für die Suche nach leichten PBHs mit VERITAS zu entwickeln. Durch die Hawking-Strahlung verlieren PBHs unterhalb des sublunaren Fensters an Masse. Am Ende ihrer Lebenszeit verdampfen diese, was einen kurzen Ausbruch an gamma-Strahlung verursacht. Falls PBHs mit ~10^15 g entstanden sind, würde sich dieser Ausbruch in der heutigen Zeit ereignen. Der Nachweis dieser Signale könnte nicht nur die Existenz von PBHs bestätigen, sondern auch die Theorie der Hawking-Strahlung beweisen. In dieser Arbeit werden VERITAS-Daten aus den Jahren 2012 bis 2021 auf mögliche PBH-Signale untersucht. Es wird ein neuer automatisierter Ansatz zur Beurteilung der Qualität der VERITAS-Daten vorgestellt. Die Array-Trigger-Rate und die ferne Infrarot-Temperatur sind gut geeignet, um Zeiträume mit schlechter Datenqualität zu identifizieren. Diese werden maskiert, um einen konsistenten Datensatz zu erhalten, der etwa 4222 Stunden umfasst. Die PBH-Verdampfungen könnten an jeder beliebigen Stelle im Sichtfeld oder zu jeder beliebigen Zeit innerhalb dieser Daten auftreten. Zur Identifizierung dieser kurzen Signale kann nur eine Blindsuche durchgeführt werden. In dieser Arbeit wird eine datengestützte, auf Deep Learning basierende Methode zur Suche nach kurzen vorübergehenden Signalen mit VERITAS implementiert. Die Methode ist nicht von der Modellierung der effektiven Fläche und der radialen Akzeptanz abhängig. Diese Arbeit präsentiert die erste Anwendung dieser Methode mit echten IACT-Beobachtungsdaten. In dieser Arbeit werden neue Konzepte entwickelt, die sich mit den Besonderheiten der Daten und der Methode befassen. Sie spiegeln sich in der entwickelten Datenvorbereitung und den Suchstrategien wider. Nach Korrektur der Versuchsfaktoren wird in den Daten kein Kandidat für PBH-Verdampfung gefunden. Daher wird die lokale Rate von PBH-Verdampfungen auf unter <1.07 * 10^5 pc^-3 yr^-1 an der 99%-Konfidenzgrenze beschränkt. Dieses Limit, welches mit dem neuen, unabhängigen Analyseansatz erreicht wurde, liegt im Bereich der bestehenden Grenzwerte für die Verdunstungsrate.
In dieser Arbeit wird auch ein alternativer neuer Ansatz für die Suche nach PBHs mit IACTs untersucht. Oberhalb des sublunaren Fensters wird die Existenz von PBHs durch optische Mikrolensing-Studien eingeschränkt. Für niedrige Massen ist die Abtastgeschwindigkeit, die bei herkömmlichen optischen Teleskopen in der Größenordnung von Minuten bis Stunden liegt, ein limitierender Faktor. IACTs sind auch leistungsstarke Instrumente für die schnelle optische Astronomie mit Abtastraten von bis zu O(ns). In dieser Arbeit wird untersucht, ob IACTs das sublunare Fenster mit optischen Mikrolensing-Beobachtungen beschränken könnten. Diese Studie bestätigt, dass die schnelle Abtastgeschwindigkeit eine Ausweitung der Mikrolensing-Suche auf das sublunare Massenfenster ermöglichen könnte. Der begrenzende Faktor für IACTs ist jedoch die eingeschränkte Empfindlichkeit, um Änderungen im optischen Fluss zu detektieren. In dieser Arbeit werden die erwarteten Raten der nachweisbaren Ereignisse für VERITAS sowie für mögliche zukünftige IACTs der nächsten Generation vorgestellt. Für VERITAS beträgt die Rate der nachweisbaren Microlensing-Ereignisse im sublunaren Bereich ~10^-6 pro Jahr. 
Die Zukunftsaussichten für ein 100-mal empfindlicheres Instrument liegen bei ~0,05 Ereignissen pro Jahr.
KW  - PBH
KW  - dark matter
KW  - primordial black holes
KW  - microlensing
KW  - gamma-rays
KW  - deep learning
KW  - LSTM
KW  - LSTM
KW  - PBH
KW  - Dunkle Materie
KW  - Deep Learning
KW  - Gammastrahlung
KW  - Microlensing
KW  - Primordiale Schwarzen Löchern
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-587266
ER  -