Gravitational microlensing for the detection of MACHOs towards M31: data analysis with the AGAPE method
Résumé
This thesis work is dedicated to the problem of the search
and the characterisation of dark matter. From an observational
point of view, on different lenght scale, from galatic to the entire Universe,
it exists a disagreement between the dynamical and luminous
estimation of the mass of astrophysical objects (as galaxies and cluster
of galaxies). This is a sort of missing mass problem.
This makes necessary, in the framwork of the standard
cosmological model, the introduction of a dark component
of mass, dark meaning that it doesn't emit electromagnetic radiation
and whose presence can be detected through its gravitational effects.
Even if both theory and observation agree on the need of
such a component, a still unanswered question is the nature of
such mass component.
We are going to address the problem of
the dark matter component in galatic haloes, where
the observational evidences in this sense (rotation curves)
are very robust. To this end we use an original set of data
(the MDM data) collected with the aim of studying the dark componenent
in form of MACHOs (Massive Astrophysical Compact Halo Objects)
in the halo of our and of the nearby galaxy of Andromeda (M31).
This search is based on the gravitational microlensing effect,
the deflection of light due to the presence of a massive body (the MACHO)
along the line of sight between the observer and a luminous source.
This effects shows as a temporal luminosity variation of the source.
From this analysis it is possible to estimate the distribution
of the mass in form of MACHO in the halo.
This search has been caried out using the pixel lensing technique
(proposed and developped by the AGAPE collaboration), that allows one
to detect luminosity variations of unresolved sources.
In the first chapter we recall some basics points about
the cosmological model and on the problem of dark matter.
We the review the microlensing effect and the
pixel lensing tecnique. Chapter two is devoted
to the description of the experimental setup,
and to different points linked with the image analysis
(calibration, composition). In chapter three we deal
with the tecniques used to analyse the signal
with respect to the problem of the detection
of microlening event. The background noise
being given here by variable stars, in particular
we study how we can characterize the achromaticity
propertie of the signal that interest us.
We then discuss the results from two simulations:
the first one aimed at the study of the selection
criteria we use to detect interesting variations,
the second a Monte Carlo simulaton of the experience.
In chapter 4 we consider various aspects of the analysis.
Dealing with the chromatic effects, we study some
kind of variable sources. We carry out an extension
of known microlensing candidates detected by other collaborations.
Eventually, we come to the discussion of the results of our selection,
where we get five light curve compatible with a microlensing signal.
Looking at the simulation, we then draw our conclusion on the problem.
Our analysis tends to confirm that only a small fraction
of the galactic haloes is in form of MACHO, and in particular
to exclude as a major component substellar objects.
and the characterisation of dark matter. From an observational
point of view, on different lenght scale, from galatic to the entire Universe,
it exists a disagreement between the dynamical and luminous
estimation of the mass of astrophysical objects (as galaxies and cluster
of galaxies). This is a sort of missing mass problem.
This makes necessary, in the framwork of the standard
cosmological model, the introduction of a dark component
of mass, dark meaning that it doesn't emit electromagnetic radiation
and whose presence can be detected through its gravitational effects.
Even if both theory and observation agree on the need of
such a component, a still unanswered question is the nature of
such mass component.
We are going to address the problem of
the dark matter component in galatic haloes, where
the observational evidences in this sense (rotation curves)
are very robust. To this end we use an original set of data
(the MDM data) collected with the aim of studying the dark componenent
in form of MACHOs (Massive Astrophysical Compact Halo Objects)
in the halo of our and of the nearby galaxy of Andromeda (M31).
This search is based on the gravitational microlensing effect,
the deflection of light due to the presence of a massive body (the MACHO)
along the line of sight between the observer and a luminous source.
This effects shows as a temporal luminosity variation of the source.
From this analysis it is possible to estimate the distribution
of the mass in form of MACHO in the halo.
This search has been caried out using the pixel lensing technique
(proposed and developped by the AGAPE collaboration), that allows one
to detect luminosity variations of unresolved sources.
In the first chapter we recall some basics points about
the cosmological model and on the problem of dark matter.
We the review the microlensing effect and the
pixel lensing tecnique. Chapter two is devoted
to the description of the experimental setup,
and to different points linked with the image analysis
(calibration, composition). In chapter three we deal
with the tecniques used to analyse the signal
with respect to the problem of the detection
of microlening event. The background noise
being given here by variable stars, in particular
we study how we can characterize the achromaticity
propertie of the signal that interest us.
We then discuss the results from two simulations:
the first one aimed at the study of the selection
criteria we use to detect interesting variations,
the second a Monte Carlo simulaton of the experience.
In chapter 4 we consider various aspects of the analysis.
Dealing with the chromatic effects, we study some
kind of variable sources. We carry out an extension
of known microlensing candidates detected by other collaborations.
Eventually, we come to the discussion of the results of our selection,
where we get five light curve compatible with a microlensing signal.
Looking at the simulation, we then draw our conclusion on the problem.
Our analysis tends to confirm that only a small fraction
of the galactic haloes is in form of MACHO, and in particular
to exclude as a major component substellar objects.
Questo lavoro di tesi è dedicato al problema della ricerca e
della caratterizzazione della \emph(materia oscura). A livello
osservativo, su diverse scale, da quelle galattiche (in
particolare nella Via Lattea) fino all'intero universo, esiste
disaccordo tra le stime \emph(dinamiche) della massa di oggetti
astrofisici (come galassie o ammassi di galassie) rispetto alla
stima della loro massa \emph(luminosa). Si tratta, in un certo
modo, di un problema di massa \emph(mancante). Si rende così
necessaria, nell'ambito del quadro teorico del modello
cosmologico standard, l'introduzione di una componente di materia
``oscura'', nel senso che non emette radiazione elettromagnetica,
la cui presenza può essere rilevata attraverso effetti
gravitazionali. Nonostante la convergenza di prove osservative ed
esigenze teoriche a sostegno dell'ipotesi della sua esistenza, un
interrogativo a cui non è ancora stata data una risposta
basata su solide evidenze sperimentali è quello della stessa
natura di tale componente di massa.
Affrontiamo in particolare il problema della materia oscura negli
aloni galattici, dove le evidenze osservative (curve di rotazione)
risultano più stringenti. Per questo analizziamo un insieme
originale di dati sperimentali (i dati ``MDM'', frutto di una
apposita campagna osservativa tuttora in corso di svolgimento
presso l'osservatorio Michigan-Dartmouth-MIT, USA) acquisiti per
lo studio della componente oscura sotto forma di oggetti massivi
compatti (MACHOs, \emph(Massive Astrophysical Compact Halo
Objects)) nell'alone della Galassia (la nostra Via Lattea) e
della galassia vicina di Andromeda, M31 (ovvero NGC224). Questa
ricerca si basa su di un effetto di natura gravitazionale, il
\emph(microlensing), ovvero la deflessione della luce generata da
un oggetto oscuro massivo in moto che attraversa la linea di vista
tra l'osservatore e una sorgente luminosa che si manifesta con un
incremento della luminosità della sorgente. Dallo studio di
queste variazioni di luminosità nel tempo è possibile
risalire, per via indiretta, alla distribuzione della materia
sotto forma di MACHOs nell'alone. L'analisi è stata condotta
con la tecnica detta del \emph(pixel lensing) (proposta e
implementata dalla collaborazione AGAPE, \emph(Andromeda Galaxy
Amplified Pixel Experiment)), che permette il rilevamento di
variazioni di luminosità di stelle \emph(non) risolte (in
particolare questo consente di considerare le possibili sorgenti
in una galassia distante come M31).
Nel capitolo 1, introdotti gli elementi del modello cosmologico
standard e quindi il problema della materia oscura
nell'appropriato contesto cosmologico e astrofisico, delineamo i
principi del \emph(microlensing) gravitazionale e il metodo del
\emph(pixel lensing). Nel capitolo 2 descriviamo l'apparato
sperimentale e l'acquisizione dei dati (a cui chi scrive ha avuto
modo di partecipare direttamente). Quindi analizziamo in
dettaglio il trattamento preliminare delle immagini necessario
per rendere significativo il successivo studio dei segnali
astrofisici interessanti. In particolare vengono discussi alcuni
aspetti quali la composizione di più immagini e le operazioni
di ``normalizzazione'' del flusso. Nel capitolo 3 affrontiamo le
tematiche connesse all'analisi del segnale rispetto al problema
della selezione di eventi di \emph(microlensing). Il ``rumore''
di fondo che ne contamina la ricerca è costituito da sorgenti
intrensicamente variabili. Per questo consideriamo in dettaglio
il modo di sfruttare la caratteristica \emph(acromaticità)
del segnale che ci interessa. Basandoci su di una opportuna
simulazione consideriamo inoltre il problema dell'efficacia dei
criteri di selezione adottati. Discutiamo infine i risultati
delle simulazioni Monte Carlo dell'esperienza. Vengono quindi
approfonditi, nel capitolo 4, diversi aspetti legati all'analisi
effettuata. Rivolgiamo particolare attenzione allo studio degli
effetti cromatici delle variazioni di luminosità rilevate e
discutiamo in questa prospettiva segnali di sorgenti variabili e
in particolare alcuni attribuibili a delle \emph(novæ).
Esponiamo quindi un primo risultato dell'analisi, lo studio del
prolungamento sui nostri dati di candidati eventi
\emph(microlensing) rilevati da altre collaborazioni. Infine
discutiamo i risultati della selezione, 5 \emph(curve di luce)
(la variazione di flusso nel tempo in un elemento
dell'im\-ma\-gi\-ne) compatibili con un segnale di
\emph(microlensing), e, alla luce delle simulazioni Monte Carlo,
le conclusioni fisiche riguardo al problema posto.
La nostra analisi tende a confermare (in accordo con i risultati
di analoghe esperienze svolte nell'ambito della Galassia) che solo
una piccola frazione degli aloni galattici è costituita da
MACHOs, e in particolare a escludere come componente importante
quella di oggetti di massa substellare.
della caratterizzazione della \emph(materia oscura). A livello
osservativo, su diverse scale, da quelle galattiche (in
particolare nella Via Lattea) fino all'intero universo, esiste
disaccordo tra le stime \emph(dinamiche) della massa di oggetti
astrofisici (come galassie o ammassi di galassie) rispetto alla
stima della loro massa \emph(luminosa). Si tratta, in un certo
modo, di un problema di massa \emph(mancante). Si rende così
necessaria, nell'ambito del quadro teorico del modello
cosmologico standard, l'introduzione di una componente di materia
``oscura'', nel senso che non emette radiazione elettromagnetica,
la cui presenza può essere rilevata attraverso effetti
gravitazionali. Nonostante la convergenza di prove osservative ed
esigenze teoriche a sostegno dell'ipotesi della sua esistenza, un
interrogativo a cui non è ancora stata data una risposta
basata su solide evidenze sperimentali è quello della stessa
natura di tale componente di massa.
Affrontiamo in particolare il problema della materia oscura negli
aloni galattici, dove le evidenze osservative (curve di rotazione)
risultano più stringenti. Per questo analizziamo un insieme
originale di dati sperimentali (i dati ``MDM'', frutto di una
apposita campagna osservativa tuttora in corso di svolgimento
presso l'osservatorio Michigan-Dartmouth-MIT, USA) acquisiti per
lo studio della componente oscura sotto forma di oggetti massivi
compatti (MACHOs, \emph(Massive Astrophysical Compact Halo
Objects)) nell'alone della Galassia (la nostra Via Lattea) e
della galassia vicina di Andromeda, M31 (ovvero NGC224). Questa
ricerca si basa su di un effetto di natura gravitazionale, il
\emph(microlensing), ovvero la deflessione della luce generata da
un oggetto oscuro massivo in moto che attraversa la linea di vista
tra l'osservatore e una sorgente luminosa che si manifesta con un
incremento della luminosità della sorgente. Dallo studio di
queste variazioni di luminosità nel tempo è possibile
risalire, per via indiretta, alla distribuzione della materia
sotto forma di MACHOs nell'alone. L'analisi è stata condotta
con la tecnica detta del \emph(pixel lensing) (proposta e
implementata dalla collaborazione AGAPE, \emph(Andromeda Galaxy
Amplified Pixel Experiment)), che permette il rilevamento di
variazioni di luminosità di stelle \emph(non) risolte (in
particolare questo consente di considerare le possibili sorgenti
in una galassia distante come M31).
Nel capitolo 1, introdotti gli elementi del modello cosmologico
standard e quindi il problema della materia oscura
nell'appropriato contesto cosmologico e astrofisico, delineamo i
principi del \emph(microlensing) gravitazionale e il metodo del
\emph(pixel lensing). Nel capitolo 2 descriviamo l'apparato
sperimentale e l'acquisizione dei dati (a cui chi scrive ha avuto
modo di partecipare direttamente). Quindi analizziamo in
dettaglio il trattamento preliminare delle immagini necessario
per rendere significativo il successivo studio dei segnali
astrofisici interessanti. In particolare vengono discussi alcuni
aspetti quali la composizione di più immagini e le operazioni
di ``normalizzazione'' del flusso. Nel capitolo 3 affrontiamo le
tematiche connesse all'analisi del segnale rispetto al problema
della selezione di eventi di \emph(microlensing). Il ``rumore''
di fondo che ne contamina la ricerca è costituito da sorgenti
intrensicamente variabili. Per questo consideriamo in dettaglio
il modo di sfruttare la caratteristica \emph(acromaticità)
del segnale che ci interessa. Basandoci su di una opportuna
simulazione consideriamo inoltre il problema dell'efficacia dei
criteri di selezione adottati. Discutiamo infine i risultati
delle simulazioni Monte Carlo dell'esperienza. Vengono quindi
approfonditi, nel capitolo 4, diversi aspetti legati all'analisi
effettuata. Rivolgiamo particolare attenzione allo studio degli
effetti cromatici delle variazioni di luminosità rilevate e
discutiamo in questa prospettiva segnali di sorgenti variabili e
in particolare alcuni attribuibili a delle \emph(novæ).
Esponiamo quindi un primo risultato dell'analisi, lo studio del
prolungamento sui nostri dati di candidati eventi
\emph(microlensing) rilevati da altre collaborazioni. Infine
discutiamo i risultati della selezione, 5 \emph(curve di luce)
(la variazione di flusso nel tempo in un elemento
dell'im\-ma\-gi\-ne) compatibili con un segnale di
\emph(microlensing), e, alla luce delle simulazioni Monte Carlo,
le conclusioni fisiche riguardo al problema posto.
La nostra analisi tende a confermare (in accordo con i risultati
di analoghe esperienze svolte nell'ambito della Galassia) che solo
una piccola frazione degli aloni galattici è costituita da
MACHOs, e in particolare a escludere come componente importante
quella di oggetti di massa substellare.