Gravitational Microlensing toward the Andromeda Galaxy

Riffeser, Arno (2006): Gravitational Microlensing toward the Andromeda Galaxy: A search for Dark Matter in M31. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

Aktuelle Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass das Universum insgesamt aus 72% Dunkler Energie, 23% nichtbaryonischer Materie und 4.5% baryonischer Materie besteht. Von dieser baryonischen Materie kann bisher nur ein neuntel sicher zugeordnet werden. Ferner laesst sich aus der Rotation von Spiralgalaxien ableiten, dass diese grosse Mengen an Dunkler Materie enthalten, die sich rein durch ihren gravitativen Einfluss auf sichtbare Objekte im Bulge und in der Scheibe der Galaxie zeigt. Dabei wird angenommen dass Bulge und Scheibe in den sog. dunklen Halo eingebettet sind, der diese unsichtbare Materie beinhaltet. Eine grundlegende Frage ist daher aus welcher Art die dunkle Materie im Halo von Spiralgalaxien besteht. Moegliche Kandidaten fuer solche Dunkle Materie sind neben schwach wechselwirkenden massiven Teilchen (WIMPs - Weakly Interacting Massive Particles) auch kompakte dunkle Objekte im Halo von Galaxien (Machos - MAssive Compact Halo Objects). Die vorliegende Doktorarbeit beschreibt die Suche nach solchen Machos im Halo unserer Nachbargalaxie Andromeda (M31). Im Falle von kompakten Objekten mit Massen im Bereich von einem milliardstel bis zum zehntausendfachen einer Sonnenmasse ermoeglicht der sogenannte Gravitationslinseneffekt deren direkten Nachweis. Dabei beeinflusst die gravitative Wirkung eines kompakten Objekts die Lichtstrahlen von im Hintergrund liegenden Sternen derart, dass das Licht durch die Relativbewegung kurzzeitig fokussiert und verstaerkt wird. Jedoch ist die Wahrscheinlichkeit, dass ein Stern eine messbare Verstaerkung aufweist, weniger als 1 : 1000000. Durch Messungen von Millionen von Sternen konnten derartige charakteristische Lichtkurven im letzten Jahrzehnt sehr zahlreich in Richtung zum Zentrum unserer Milchstrasse nachgewiesen werden. Eine noch groessere Herausforderung stellt der Nachweis von Machos in der hundertmal weiter entfernten Andromeda-Galaxie (M31) dar. Zwar erreicht uns von einzelnen Sternen von dort im Vergleich zum Milchstrassenzentrum nur ein zehntausendstel an Strahlung, jedoch lassen sich mit einer einzigen Aufnahme Millionen von Sternen gleichzeitig auf Helligkeitsaenderungen ueberpruefen. Da die Sichtlinie zum Zentrum von M31 die Halos der Milchstrasse und von M31 durchdringt, gestattet dies Rueckschluesse auf den Anteil der Machos in beiden Galaxien. Wegen der deutlich groesseren Entfernung und der damit verbundenen geringeren scheinbaren Helligkeit der Hintergrundobjekte sind die Anforderungen an die Datenanalyse ungleich hoeher. In der vorliegenden Doktorarbeit wurden daher neue Methoden entwickelt und aufgezeigt, um systematische Fehler bei der Aufnahme von Bildern zu kontrollieren und das Rauschen bei der Bildbearbeitung zu minimieren. Da die Zeitdauer eines Gravitationslinsenereignisses sehr kurz ist, mussten am Wendelstein-0.8-m-Teleskop, und waehrend einer 3-jaehrigen Phase am Calar-Alto-1.23-m-Teleskop, zehntausende Aufnahmen waehrend des Zeitraums von 1997 - 2005 gewonnen und ausgewertet werden. In dieser bezueglich der Zeitueberdeckung einmaligen Datenbasis konnten in 4 Mio. Lichtkurven insgesamt 13 Ereignisse nachgewiesen werden, die die typischen Helligkeitsaenderungen des Gravitationslinseneffekts aufweisen. Die Analyse der Lichtkurven zeigt mit den in dieser Arbeit gewonnenen theoretischen Erkenntnissen bezueglich der endlichen Groesse der Hintergrundsterne, dass alle Gravitationslinsenkandidaten mit einem Halo aus dunklen Objekten von 0.2 Sonnenmassen vereinbar sind. Waehrend die Anzahl der Detektionen im Vergleich zu frueheren theoretischen Vorhersagen deutlich geringer ausfiel, zeigten die im Rahmen dieser Doktorarbeit entwickelten theoretischen Vorhersagen eine sehr gute uebereinstimmung. Ob sich die beobachteten Gravitationslinsenereignisse wirklich durch Machos im Halo oder eventuell durch Sterne in Bulge oder Scheibe hervorgerufen wurden, soll durch weiterfuehrende Arbeiten mittels Monte-Carlo-Simulationen bezueglich der Detektionseffizienz geklaert werden. Daraus lassen sich dann quantitative Aussagen ueber die Art der dunklen Materie und den Anteil von Machos im Halo der M31 Galaxie gewinnen.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: Dunkle Materie, Gravitationslinsen, M31 Galaxie, Mikrolinsen, Macho
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 24. Februar 2006
• 1. Bericht­erstatter:in: Bender, Ralf