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Cosmological applications of gravitational lensing

  • In this thesis we use the gravitational lensing effect as a tool to tackle two rather different cosmological topics: the nature of the dark matter in galaxy halos, and the rotation of the universe. Firstly, we study the microlensing effect in the gravitational lens systems Q0957+561 and Q2237+0305. In these systems the light from the quasar shines directly through the lensing galaxy. Due to the relative motion of the quasar, the lensing galaxy, and the observer compact objects in the galaxy or galaxy halo cause brightness fluctuations of the light from the background quasar. We compare light curve data from a monitoring program of the double quasar Q0957+561 at the 3.5m telescope at Apache Point Observatory from 1995 to 1998 (Colley, Kundic & Turner 2000) with numerical simulations to test whether the halo of the lensing galaxy consists of massive compact objects (MACHOs). This test was first proposed by Gott (1981). We can exclude MACHO masses from 10^-6 M_sun up to 10^-2 M_sun for quasar sizes of less than 3x10^14 h_60^-0.5 cm ifIn this thesis we use the gravitational lensing effect as a tool to tackle two rather different cosmological topics: the nature of the dark matter in galaxy halos, and the rotation of the universe. Firstly, we study the microlensing effect in the gravitational lens systems Q0957+561 and Q2237+0305. In these systems the light from the quasar shines directly through the lensing galaxy. Due to the relative motion of the quasar, the lensing galaxy, and the observer compact objects in the galaxy or galaxy halo cause brightness fluctuations of the light from the background quasar. We compare light curve data from a monitoring program of the double quasar Q0957+561 at the 3.5m telescope at Apache Point Observatory from 1995 to 1998 (Colley, Kundic & Turner 2000) with numerical simulations to test whether the halo of the lensing galaxy consists of massive compact objects (MACHOs). This test was first proposed by Gott (1981). We can exclude MACHO masses from 10^-6 M_sun up to 10^-2 M_sun for quasar sizes of less than 3x10^14 h_60^-0.5 cm if the MACHOs make up at least 50% of the dark halo. Secondly, we present new light curve data for the gravitationally lensed quadruple quasar Q2237+0305 taken at the 3.5m telescope at Apache Point Observatory from June 1995 to January 1998. Although the images were taken under variable, often poor seeing conditions and with coarse pixel sampling, photometry is possible for the two brighter quasar images A and B with the help from HST observations. We find independent evidence for a brightness peak in image A of 0.4 to 0.5 mag with a duration of at least 100 days, which indicates that microlensing has taken place in the lensing galaxy. Finally, we use the weak gravitational lensing effect to put limits on a class of Goedel-type rotating cosmologies described by Korotky & Obukhov (1996). In weak lensing studies the shapes of thousands of background galaxies are measured and averaged to reveal coherent gravitational distortions of the galaxy shapes by foreground matter distributions, or by the large-scale structure of space-time itself. We calculate the predicted shear as a function of redshift in Goedel-type rotating cosmologies and compare this to the upper limit on cosmic shear gamma_limit of approximately 0.04 from weak lensing studies. We find that Goedel-type models cannot have larger rotations omega than H_0=6.1x10^-11 h_60/year if this shear limit is valid for the whole sky.show moreshow less
  • In dieser Arbeit benutze ich den Gravitationslinseneffekt als ein Werkzeug, um zwei recht unterschiedliche kosmologische Fragestellungen zu bearbeiten: die Natur der dunklen Materie in Galaxienhalos und die Rotation des Universums. Zuerst untersuche ich den Mikrolinseneffekt in den Gravitationlinsensystemen Q0957+561 und Q2237+0305. In diesen Systemen scheint das Licht eines Quasars durch die Linsengalaxie hindurch. Aufgrund der Relativbewegung zwischen Quasar, Linsengalaxie und Beobachter verursachen kompakte Objekte innerhalb der Galaxie oder dem Galaxienhalo Helligkeitsfluktuationen des Hintergrundquasars. Ich vergleiche die am 3.5m Teleskop des Apache Point Observatory zwischen 1995 und 1998 gewonnene Lichtkurve des Doppelquasars Q0957+561 (Colley, Kundic & Turner 2000) mit numerischen Simulationen, um zu untersuchen, ob der Halo der Linsengalaxie aus massiven kompakten Objekten (MACHOs) besteht. Dieser Test wurde zuerst von Gott (1981) vorgeschlagen. Ich kann MACHO-Massen von 10^-6 M_sun bis zu 10^-2 M_sun ausschliessen, sofernIn dieser Arbeit benutze ich den Gravitationslinseneffekt als ein Werkzeug, um zwei recht unterschiedliche kosmologische Fragestellungen zu bearbeiten: die Natur der dunklen Materie in Galaxienhalos und die Rotation des Universums. Zuerst untersuche ich den Mikrolinseneffekt in den Gravitationlinsensystemen Q0957+561 und Q2237+0305. In diesen Systemen scheint das Licht eines Quasars durch die Linsengalaxie hindurch. Aufgrund der Relativbewegung zwischen Quasar, Linsengalaxie und Beobachter verursachen kompakte Objekte innerhalb der Galaxie oder dem Galaxienhalo Helligkeitsfluktuationen des Hintergrundquasars. Ich vergleiche die am 3.5m Teleskop des Apache Point Observatory zwischen 1995 und 1998 gewonnene Lichtkurve des Doppelquasars Q0957+561 (Colley, Kundic & Turner 2000) mit numerischen Simulationen, um zu untersuchen, ob der Halo der Linsengalaxie aus massiven kompakten Objekten (MACHOs) besteht. Dieser Test wurde zuerst von Gott (1981) vorgeschlagen. Ich kann MACHO-Massen von 10^-6 M_sun bis zu 10^-2 M_sun ausschliessen, sofern der Quasar kleiner ist als 3x10^14 h_60^-0.5 cm und MACHOs mehr als 50% des dunklen Halos ausmachen. Im zweiten Teil der Arbeit stelle ich neue Beobachtungsdaten fuer den Vierfachquasar Q2237+0305 vor, die am 3.5m Teleskop des Apache Point Observatory zwischen Juni 1995 und Januar 1998 gewonnen wurden. Obwohl die Daten bei veraenderlichen, oft schlechten Seeing Bedingungen und grober Pixelaufloesung aufgenommen wurden, ist die Photometrie der beiden helleren Quasarbilder A und B mit Hilfe von HST-Beobachtungen moeglich. Ich finde ein Helligkeitsmaximum in Bild A mit einer Amplitude von 0.4 bis 0.5 mag und einer Dauer von wenigstens 100 Tagen. Dies zeigt, dass in der Linsengalaxie der Mikrolinseneffekt stattgefunden hat. Im abschliessenden Teil der Arbeit benutze ich dann den schwachen Gravitationslinseneffekt, um Grenzen fuer eine Klasse von rotierenden Kosmologien vom Goedel-Typ zu ermitteln, die von Korotky & Obukhov (1996) beschrieben wurde. In Studien des schwachen Linseneffektes werden die Formen von tausenden von Hintergrundgalaxien vermessen und gemittelt. Dabei werden kohaerente Verzerrungen der Galaxienformen gemessen, die von Massenverteilungen im Vordergrund oder von der grossraeumigen Struktur der Raumzeit selbst verursacht werden. Ich berechne die vorhergesagte Scherung als Funktion der Rotverschiebung in rotierenden Kosmologien vom Goedel-Typ und vergleiche diese mit der oberen Grenze fuer die kosmische Scherung gamma_limit von 0.04, die in Studien des schwachen Linseneffektes gewonnen wurde. Dieser Vergleich zeigt, dass Modelle vom Goedel-Typ keine groesseren Rotationen omega als H_0=6.1x10^-11 h_60/Jahr haben koennen, wenn die Grenze fuer die kosmische Scherung fuer den ganzen Himmel gilt.show moreshow less

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Metadaten
Author:Robert W. Schmidt
URN:urn:nbn:de:kobv:517-0000261
Advisor:Günther Hasinger, Edwin Turner, Joachim Wambsganss
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2000
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2000/06/14
Release Date:2005/02/04
Tag:Gravitationslinseneffekt; Kosmologie; Quasare; dunkle Materie
RVK - Regensburg Classification:US 1080
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Physik und Astronomie
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 53 Physik / 530 Physik