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Page de résumé pour ULgetd-01052010-153723

Auteur : Chantry, Virginie
E-mail de l'auteur : Virginie.Chantry@ulg.ac.be
URN : ULgetd-01052010-153723
Langue : Anglais/English
Titre : Gravitationally lensed quasars: light curves, observational constraints, modeling and the Hubble constant / Quasars subissant le phénomène de lentille gravitationnelle: courbes de lumière, contraintes observationnelles, modélisation et la constant de Hubble
Intitulé du diplôme : Doctorat en sciences
Département : FS - Département d'astrophysique, géophysique et océanographie
Jury :
Nom : Titre :
Courbin, F. Membre du jury/Committee Member
Faure, C. Membre du jury/Committee Member
Hutsemekers, D. Membre du jury/Committee Member
Letawe, G. Membre du jury/Committee Member
Surdej, J. Membre du jury/Committee Member
Van Winckel, H. Membre du jury/Committee Member
Gérard, J.C. Président du jury/Committee Chair
Magain, P. Promoteur/Director
Mots-clés :
  • gravitational lensing/lentille gravitationnelle
  • quasars/quasars
  • Hubble constant/constante de Hubble
  • cosmology/cosmologie
  • astrophysics/astrophysique
Date de soutenance : 2009-12-09
Type d'accès : Public/Internet
Résumé :

The central topic of this thesis is gravitational lensing, a phenomenon that occurs when light rays from a background source pass near a massive object located on the line of sight and are deflected. It is one of the most wonderful observational fact in favour of the General Theory of Relativity (Einstein, 1916). This phenomenon constitutes a powerful tool to probe different areas in astrophysics, including cosmology, which is our main interest. In particular we study gravitationally lensed quasars. Refsdal (1964) was the first to state that time delays between different lensed images of the same object, if this one is intrisically variable, can lead to the measurement of the Hubble constant H0, which is related the actual expansion rate of the Universe. Up to now, only a few lensed quasars have led to H0 and the precision on it has never reached the one obtained with other methods as the ones based on the Cosmic Distance Ladder. That is why some scientists from around the globe decided to unite their force to measure 0 from about thirty lensed quasars. To reach that goal, these objects are being monitored with some mid-sized ground-based telescopes located in both hemispheres. This thesis is realised in the framework of this collaboration called COSMOGRAIL for "COSmological MOnitoring of GRAvItational Lenses".

This work focuses on image processing and on several steps mandatory to obtain a measurement of H0 from lensed quasars: the acquisiton of the light curves from which it is possible to extract the time delays and the acquisition of the observational constraints necessary to model the gravitational potential responsible for the observed configuration. The central technique of this work is the image deconvolution with the MCS algorithm (Magain, Courbin & Sohy, 1998). The main principle of this algorithm is the non-violation of the sampling theorem in trying to obtain a better resolution in the deconvolved frame instead of an infinite one. The final resolution in the deconvolved frame is chosen by the user and as it is known, every image is decomposed in a contribution from the point sources and another one from all the extended structures such as arcs, rings and galaxies.

To obtain good light curves from data coming from several telescopes, good reduction procedures are needed. That is why (Vuissoz et al., 2008) developed a semi-automated reduction pipeline including deconvolution with the MCS algorithm. In the framework of the present thesis, we adapt it to one of the telescopes used by the collaboration whose data were never used before, i.e. the Mercator telescope. We also bring some modifications to this pipeline, e.g. concerning the estimation of the error on the magnitudes of the light curves. We apply this revised version of the reduction pipeline to HE 0435-1223, a quadruply imaged quasar with already measured time delays (Kochanek et al., 2006). Another object, the quad WFI J2026-4536, is then investigated: we obtain light curves for each of the four lensed images.

Thanks to the CASTLES project ("Cfa-Arizona Space Telescope LEns Survey", http://www.cfa.harvard.edu/castles), many lensed quasars have been observed with the camera 2 of NICMOS (Near Infrared Camera and Multi-Object Spectrometer) on board the Hubble Space Telescope. With these high resolution images, we can obtain very accurate constraints on the geometry of the lensed systems. But most of the time no star is available in the field of view to obtain a good "Point Spread Function" (PSF). That is why we develop an iterative strategy combined with the MCS algorithm: we call it "ISMCS". This technique allows to use the lensed images themselves to improve the PSFs step by step while simultaneously deconvolving the frame to obtain better estimations of the extended structures in the image.

We first test this strategy on a quadruply imaged quasar, the Cloverleaf gravitational lens (H1413+117), and obtain relative positions precise to 1 milliarcsecond (mas). We then apply ISMCS to the quadruply imaged quasar WFI J2033-4723 in order to contribute to the estimate of the Hubble constant, as this object was monitored by our team. We then study a sample of seven lensed systems currently monitored by COSMOGRAIL and for which time delays have never been obtained. Here again, we obtain positional constraints with an accuracy of around 1 to 2 mas thanks to the application of ISMCS. We then model these systems with simple mass profiles for the main lens galaxy and obtain an estimation of the values of the time delays. Finally we apply ISMCS to a sample of eleven lensed quasars which already have measured time delays. When the delays have been remeasured by our team, in four cases until now, we also model the potential of the lens with simple mass profiles to estimate H0./

Le sujet central de cette thèse est le phénomène de lentille gravitationnelle qui se produit lorsque des rayons lumineux émis par une source d'arrière-plan passent à proximité d'un objet massif situé sur la ligne de visée et sont déviés. Il s'agit d'un des faits observationnels les plus parlants en faveur de la théorie de la Relativité Générale (Einstein, 1916). Ce phénomène constitue un outil puissant pour investiguer différents domaines de l'astrophysique comme la Cosmologie, sujet qui nous intéresse ici. En particulier nous étudions le phénomène de lentille gravitationnelle appliqué aux quasars. Refsdal (1964) fut le premier à énoncer et prouver que les délais temporels entre différentes images-lentilles du même objet, si ce dernier est intrinsèquement variable, peuvent mener à la mesure de la constante de Hubble H0, paramètre relié au taux actuel d'expansion de l'Univers. Jusqu'à maintenant, seulement quelques quasars subissant le phénomène de lentille gravitationnelle ont mené à H0 et la précision obtenue n'a jamais atteint celle d'autres méthodes basées par exemple sur l'échelle Cosmique des distances. C'est pourquoi certains scientifiques originaires de différents pays ont décidé d'unir leurs forces pour mesurer H0 à partir d'une trentaine de quasars subissant le phénomène de lentille gravitationnelle. Pour atteindre cet objectif, ces quasars sont actuellement l'objet d'un suivi photométrique grâce à plusieurs télescopes de taille moyenne situés dans les deux hémisphères. Cette thèse est réalisée dans le cadre de cette collaboration qui se nomme COSMOGRAIL ("COSmological MOnitoring of GRAvItational Lenses").

Ce travail se concentre sur les techniques de traitement d'images et sur plusieurs étapes obligatoires pour la mesure de la constante de Hubble à partir des quasars subissant le phénomène de lentille gravitationnelle: l'obtention des courbes de lumière desquelles il est possible d'extraire les délais temporels et l'obtention de contraintes géométriques nécessaires pour modéliser le potentiel gravitationnel responsable de la configuration observée. La technique au centre de ce travail est la déconvolution d'images avec l'algorithme MCS (Magain, Courbin & Sohy, 1998). Le principe de cet algorithme est la non-violation du théorème de l'échantillonnage en essayant d'obtenir une meilleure résolution dans l'image déconvoluée et non une résolution infinie. La résolution finale dans l'image déconvoluée est choisie par l'utilisateur et, comme elle est connue, chaque image est décomposée en une contribution des sources ponctuelles et une autre des structures étendues comme les arcs, anneaux et autres galaxies lentilles.

Pour obtenir de bonnes courbes de lumière à partir de données provenant de différents télescopes, de bonnes méthodes de réduction sont nécessaires. C'est pourquoi (Vuissoz et al., 2008) a développé un pipeline de réduction semi-automatique incluant la déconvolution avec l'algorithme MCS. Nous l'adaptons, dans le cadre de cette thèse, à l'un des télescopes utilisés par la collaboration, le télescope Mercator, dont les données n'ont encore jamais été utilisées auparavant. Nous apportons également quelques modifications à ce pipeline, par exemple concernant l'estimation de l'erreur sur les magnitudes des courbes de lumière. Nous appliquons cette version révisée du pipeline à HE 0435-1223, un quasar quadruple dont les délais ont déjà été mesurés (Kochanek et al., 2006). Un autre objet, le quasar quadruple WFI J2026-4536, est ensuite investigué: nous obtenons des courbes de lumière pour chacune des images du quasar.

Grâce au projet CASTLES ("Cfa-Arizona Space Telescope LEns Survey", http://www.cfa.harvard.edu/castles), beaucoup de quasars subissant le phénomène de lentille gravitationnelle ont été observés avec la caméra 2 de NICMOS ("Near Infrared Camera and Multi-Object Spectrometer") à bord du télescope spatial Hubble. Avec ces images à haute résolution, il est possible d'obtenir des contraintes très précises sur la géométrie de ces quasars. Mais la plupart du temps, il n'y pas d'étoile dans le champ d'observation pour pouvoir ajuster la PSF ("Point Spread Function"). C'est pourquoi nous développons une stratégie itérative combinée à l'algorithme MCS, que nous appelons "ISMCS" pour "Iterative Strategy combined with the MCS algorithm". Cette technique permet d'utiliser les images créées par effet de lentille pour améliorer pas à pas la PSF et, simultanément, de déconvoluer l'image pour obtenir de meilleures estimations des structures étendues de l'image.

Nous testons d'abord cette technique sur un quasar quadruple, c'est-à-dire comportant quatre images de la même source, le "Cloverleaf" ou "Trèfle à Quatre Feuilles" (H1413+117), et nous obtenons des positions relatives précises à la milliarcseconde (mas). Nous appliquons ensuite ISMCS au quasar quadruple WFI J2033-4723 dans le but de contribuer à l'obtention de la constante de Hubble, cet objet faisant partie de ceux suivis photométriquement par la collaboration. Nous étudions ensuite un échantillon de sept quasars subissant le phénomène de lentille et suivis par COSMOGRAIL. Certains d'entre eux n'ont jamais été étudiés en détail. Nous obtenons ici encore des contraintes de positions avec une précision de 1 à 2 mas grâce à l'application d'ISMCS. Nous modélisons ensuite ces systèmes avec des profils de masse simples pour la lentille principale et obtenons une estimation de la valeur des délais temporels. Finalement la stratégie ISMCS est appliquée à un échantillon de onze quasars dont les délais temporels ont déjà été mesurés. Dans le cas où les délais ont été remesurés par notre équipe, c'est-à-dire pour quatre systèmes jusqu'à maintenant, nous modélisons également le potentiel de la lentille pour obtenir une estimation de H0.

Autre version :
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Modem 56K ADSL
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