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Gruen, Daniel (2015): Weak lensing by galaxy clusters: from pixels to cosmology. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik
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Abstract

Der Ursprung und die Entwicklung unseres Universums zeigt sich gleichermaßen in der Raumzeit selbst wie in den Strukturen, die in ihr entstehen. Galaxienhaufen sind das Ergebnis hierarchischer Strukturbildung. Sie sind die massivsten Objekte, die sich im heutigen Universum bilden konnten. Aufgrund dieser Eigenschaft ist ihre Anzahl und Struktur hochgradig abhängig von der Zusammensetzung und Evolution des Universums. Die Messung der Anzahldichte von Galaxienhaufen beruht auf Katalogen, die nach einer beobachtbaren Größe ausgewählt werden. Die Anwendung einer Massen-Observablen-Relation (MOR) erlaubt es, die beobachtete Anzahl als Funktion der Observablen und der Rotverschiebung mit Vorhersagen zu vergleichen und so kosmologische Parameter zu bestimmen. Man kann jedoch zu Recht behaupten, dass diese Messungen noch nicht präzise im Prozentbereich sind. Hauptgrund hierfür ist das unvollständige Verständnis der MOR. Ihre Normalisierung, die Skalierung der Observablen mit Masse und Rotverschiebung und die Größe und Korrelation von intrinsischen Streuungen muss bekannt sein, um Anzahldichten korrekt interpretieren zu können. Die Massenbestimmung von Galaxienhaufen durch die differenzielle Lichtablenkung in ihrem Gravitationsfeld, i.e. durch den so genannten schwachen Gravitationslinseneffekt (weak lensing), kann erheblich hierzu beitragen. In dieser Arbeit werden neue Methoden und Ergebnisse solcher Untersuchungen vorgestellt. Zu ersteren gehören, als Teil der Datenaufbereitung, (i) die Korrektur von CCD-Bildern für nichtlineare Effekte durch die elektrischen Felder der angesammelten Ladungen (Kapitel 2) und (ii) eine Methode zur Maskierung von Artefakten in überlappenden Aufnahmen eines Himmelsbereichs durch Vergleich mit dem Median-Bild (Kapitel 3). Schließlich ist (iii) eine Methode zur Selektion von Hintergrundgalaxien, basierend auf deren Farbe und scheinbarer Magnitude, die eine neue Korrektur für die Kontamination durch Mitglieder des Galaxienhaufens einschließt, im Abschnitt 5.3.1 beschrieben. Die wissenschaftlichen Hauptergebnisse sind die folgenden. (i) Für den Hubble Frontier Field-Haufen RXC J2248.7-4431 bestimmen wir Masse und Konzentration mittels weak lensing und bestätigen die durch Röntgen- und Sunyaev-Zel'dovich-Beobachtungen (SZ) vorhergesagte große Masse. Die Untersuchung von Haufengalaxien zeigt die Abhängigkeit von Morphologie und Leuchtkraft sowie Umgebung (Kapitel 4). (ii) Unsere Massenbestimmung für 12 Galaxienhaufen ist konsistent mit Röntgenmassen, die unter Annahme hydrostatischen Gleichgewichts des heißen Gases gemacht wurden. Wir bestätigen die MOR, die für die Signifikanz der Detektion mit dem South Pole Telescope bestimmt wurde. Wir finden jedoch Diskrepanzen zur Planck-SZ MOR. Unsere Vermutung ist, dass diese mit einer flacheren Steigung der MOR oder einem größen-, rotverschiebungs- oder rauschabhängigen Problem in der Signalextraktion zusammenhängt (Kapitel 5). (iii) Schließlich zeigen wir, durch die Verbindung von Simulationen und theoretischer Modellierung, dass die Variation von Dichteprofilen bei fester Masse signifikant zur Ungenauigkeit von Massenbestimmungen von Galaxienhaufen mittels weak lensing beiträgt. Ein Modell für diese Variationen, wie das hier entwickelte, ist daher wichtig für die genaue Bestimmung der MOR, wie sie für kommende Untersuchungen nötig sein wird (Kapitel 6).

Abstract

The story of the origin and evolution of our Universe is told, equivalently, by space-time itself and by the structures that grow inside of it. Clusters of galaxies are the frontier of bottom-up structure formation. They are the most massive objects to have collapsed at the present epoch. By that virtue, their abundance and structural parameters are highly sensitive to the composition and evolution of the Universe. The most common probe of cluster cosmology, abundance, uses samples of clusters selected by some observable. Applying a mass-observable relation (MOR), cosmological parameters can be constrained by comparing the sample to predicted cluster abundances as a function of observable and redshift. Arguably, however, cluster probes have not yet entered the era of per cent level precision cosmology. The primary reason for this is our imperfect understanding of the MORs. The overall normalization, the slope of mass vs. observable, the redshift evolution, and the degree and correlation of intrinsic scatters of observables at fixed mass have to be constrained for interpreting abundances correctly. Mass measurement of clusters by means of the differential deflection of light from background sources in their gravitational field, i.e. weak lensing, is a powerful approach for achieving this. This thesis presents new methods for and scientific results of weak lensing measurements of clusters of galaxies. The former include, on the data reduction side, (i) the correction of CCD images for non-linear effects due to the electric fields of accumulated charges (Chapter 2) and (ii) a method for masking artifact features in sets of overlapping images of the sky by comparison to the median image (Chapter 3). Also, (iii) I develop a method for the selection of background galaxy samples based on their color and apparent magnitude that includes a new correction for contamination with cluster member galaxies (Section 5.3.1). The main scientific results are the following. (i) For the Hubble Frontier Field cluster RXC J2248.7--4431 our lensing analysis constrains mass and concentration of the cluster halo and we confirm the large mass predicted by X-ray and Sunyaev-Zel'dovich (SZ) observations. The study of cluster members shows the relation of galaxy morphology to luminosity and environment (Chapter 4). (ii) Our lensing mass measurements for 12 clusters are consistent with X-ray masses derived under the assumption of hydrostatic equilibrium of the intra-cluster gas. We confirm the MORs derived by the South Pole Telescope collaboration for the detection significance of the cluster SZ signal in their survey. We find discrepancies, however, with the Planck SZ MOR. We hypothesize that these are related either to a shallower slope of the MOR or a size, redshift or noise dependent bias in SZ signal extraction (Chapter 5). (iii) Finally, using a combination of simulations and theoretical models for the variation of cluster profiles at fixed mass, we find that the latter is a significant contribution to the uncertainty of cluster lensing mass measurements. A cosmic variance model, such as the one we develop, is necessary for MOR constraints to be accurate at the level required for future surveys (Chapter 6).