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Weak lensing galaxy cluster mass estimates in the dark energy survey
Weak lensing galaxy cluster mass estimates in the dark energy survey
The study of galaxy clusters opens a prominent pathway towards understanding the composition and evolution of the Universe and its hidden dark sector. As galaxy clusters are to a large extent composed of dark matter, practical methods to detect them in observational data do not give direct information about their total masses, and it becomes necessary to make use of other methods such as gravitational lensing to infer their mass distributions. In the first part of the thesis I perform a weak lensing calibration of the observable - mass relation for galaxy clusters in the optical observational dataset collected and reduced by the Dark Energy Survey, and develop the methods to quantify and improve the robustness and systematic uncertainty of weak lensing measurements. This cluster mass calibration is a crucial link connecting and anchoring cosmological theory to the observed reality, and facilitates the ongoing efforts to derive cosmological constraints from the masses and abundances of galaxy clusters. I furthermore investigate a type of systematic bias in cluster weak lensing estimates which relates to the potentially incorrect estimation of the lens-geometry due to the contamination of the source galaxy catalog by galaxies associated with the targeted cluster. In relation to this I validate a correction method which relies on the estimated photometric redshift probability distribution function of source galaxies. Finally I construct synthetic optical observations of galaxy clusters, which can be used to benchmark weak lensing measurement in an end-to-end fashion from mock observations to recovered cluster masses. To achieve this I create a transparent statistical learning model using a data driven approach to measure and model the photometric properties of galaxy clusters and their sky-environments, and generate mock galaxy cluster observations which mimic and extrapolate the real distribution of galaxies and their observed photometric properties., Die Untersuchung von Galaxienhaufen eröffnet einen wichtigen Weg zum Verständnis der Zusammensetzung und Entwicklung des Universums und seines verborgenen dunklen Sektors. Da Galaxienhaufen zu einem großen Teil aus dunkler Materie bestehen, geben praktische Methoden zu ihrer Entdeckung in Beobachtungsdaten keine direkte Information über ihre Gesamtmassen, und es wird notwendig, andere Methoden wie die Gravitationslinsentechnik zu verwenden, um auf ihre Massenverteilung zu schließen. Im ersten Teil der Arbeit erstelle ich eine Kalibration der Beziehung von beobachtbarer Galaxienzahl zur Gesamtmasse für Galaxienhaufen im mittels des schwachen Gravitationslinseneffektes. Die Daten hierfür wurden durch die Dark Energy Survey gesammelt und reduziert. Desweiteren entwickle ich Methoden zur Quantifizierung und Verbesserung der Robustheit und systematischen Unsicherheit von Messungen des schwachen Gravitationslinseneffektes. Diese Kalibrierung der Massen von Galaxienhaufen ist ein entscheidendes Bindeglied, das die kosmologische Theorie mit der beobachteten Realität verbindet. Sie ermöglicht es, kosmologische Schlüsse aus den Massen und Häufigkeiten von Galaxienhaufen zu ziehen. Darüber hinaus untersuche ich eine Art von systematischem Fehler bei der Schätzung des schwachen Gravitationslinseneffektes von Galaxienhaufen, die mit der potenziell falschen Schätzung der Linsengeometrie aufgrund der Kontamination des Quellgalaxienkatalogs durch Galaxien, die mit dem Zielhaufen assoziiert sind, zusammenhängt. In diesem Zusammenhang validiere ich eine Korrekturmethode, die sich auf die geschätzte photometrische Rotverschiebungs-Wahrscheinlichkeitsverteilungsfunktion der Quellgalaxien stützt. Schließlich konstruiere ich synthetische optische Beobachtungen von Galaxienhaufen, mit denen die Messmethoden in einer vollständigen Art und Weise von simulierten Bilddaten bis zu wiedergefundenen Haufenmassen verglichen werden kann. Um dies zu erreichen, erstelle ich ein transparentes statistisches Modell unter Verwendung eines datengesteuerten Ansatzes zur Messung und Beschreibung der photometrischen Eigenschaften von Galaxienhaufen und ihrer Umgebung und erstelle simulierte Beobachtungdaten von Galaxienhaufen, die die reale Verteilung von Galaxien und ihre beobachteten photometrischen Eigenschaften imitieren und extrapolieren.
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Varga, Tamás Norbert
2020
English
Universitätsbibliothek der Ludwig-Maximilians-Universität München
Varga, Tamás Norbert (2020): Weak lensing galaxy cluster mass estimates in the dark energy survey. Dissertation, LMU München: Faculty of Physics
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Abstract

The study of galaxy clusters opens a prominent pathway towards understanding the composition and evolution of the Universe and its hidden dark sector. As galaxy clusters are to a large extent composed of dark matter, practical methods to detect them in observational data do not give direct information about their total masses, and it becomes necessary to make use of other methods such as gravitational lensing to infer their mass distributions. In the first part of the thesis I perform a weak lensing calibration of the observable - mass relation for galaxy clusters in the optical observational dataset collected and reduced by the Dark Energy Survey, and develop the methods to quantify and improve the robustness and systematic uncertainty of weak lensing measurements. This cluster mass calibration is a crucial link connecting and anchoring cosmological theory to the observed reality, and facilitates the ongoing efforts to derive cosmological constraints from the masses and abundances of galaxy clusters. I furthermore investigate a type of systematic bias in cluster weak lensing estimates which relates to the potentially incorrect estimation of the lens-geometry due to the contamination of the source galaxy catalog by galaxies associated with the targeted cluster. In relation to this I validate a correction method which relies on the estimated photometric redshift probability distribution function of source galaxies. Finally I construct synthetic optical observations of galaxy clusters, which can be used to benchmark weak lensing measurement in an end-to-end fashion from mock observations to recovered cluster masses. To achieve this I create a transparent statistical learning model using a data driven approach to measure and model the photometric properties of galaxy clusters and their sky-environments, and generate mock galaxy cluster observations which mimic and extrapolate the real distribution of galaxies and their observed photometric properties.

Abstract

Die Untersuchung von Galaxienhaufen eröffnet einen wichtigen Weg zum Verständnis der Zusammensetzung und Entwicklung des Universums und seines verborgenen dunklen Sektors. Da Galaxienhaufen zu einem großen Teil aus dunkler Materie bestehen, geben praktische Methoden zu ihrer Entdeckung in Beobachtungsdaten keine direkte Information über ihre Gesamtmassen, und es wird notwendig, andere Methoden wie die Gravitationslinsentechnik zu verwenden, um auf ihre Massenverteilung zu schließen. Im ersten Teil der Arbeit erstelle ich eine Kalibration der Beziehung von beobachtbarer Galaxienzahl zur Gesamtmasse für Galaxienhaufen im mittels des schwachen Gravitationslinseneffektes. Die Daten hierfür wurden durch die Dark Energy Survey gesammelt und reduziert. Desweiteren entwickle ich Methoden zur Quantifizierung und Verbesserung der Robustheit und systematischen Unsicherheit von Messungen des schwachen Gravitationslinseneffektes. Diese Kalibrierung der Massen von Galaxienhaufen ist ein entscheidendes Bindeglied, das die kosmologische Theorie mit der beobachteten Realität verbindet. Sie ermöglicht es, kosmologische Schlüsse aus den Massen und Häufigkeiten von Galaxienhaufen zu ziehen. Darüber hinaus untersuche ich eine Art von systematischem Fehler bei der Schätzung des schwachen Gravitationslinseneffektes von Galaxienhaufen, die mit der potenziell falschen Schätzung der Linsengeometrie aufgrund der Kontamination des Quellgalaxienkatalogs durch Galaxien, die mit dem Zielhaufen assoziiert sind, zusammenhängt. In diesem Zusammenhang validiere ich eine Korrekturmethode, die sich auf die geschätzte photometrische Rotverschiebungs-Wahrscheinlichkeitsverteilungsfunktion der Quellgalaxien stützt. Schließlich konstruiere ich synthetische optische Beobachtungen von Galaxienhaufen, mit denen die Messmethoden in einer vollständigen Art und Weise von simulierten Bilddaten bis zu wiedergefundenen Haufenmassen verglichen werden kann. Um dies zu erreichen, erstelle ich ein transparentes statistisches Modell unter Verwendung eines datengesteuerten Ansatzes zur Messung und Beschreibung der photometrischen Eigenschaften von Galaxienhaufen und ihrer Umgebung und erstelle simulierte Beobachtungdaten von Galaxienhaufen, die die reale Verteilung von Galaxien und ihre beobachteten photometrischen Eigenschaften imitieren und extrapolieren.