Silne i słabe soczewkowanie grawitacyjne w zastosowaniach astrofizycznych i kosmologicznych

Soczewkowanie grawitacyjne jest doskonałym narzędziem do przeprowadzania badań w astrofizyce i kosmologii. Obecnie liczne obserwacje tego zjawiska umożliwiają między innymi pomiar masy oraz rozkładu we Wszechświecie materii ciemnej i świecącej, oszacowania koncentracji masywnych obiektów w ciemnym halo naszej Galaktyki. Wykorzystywane są także do wyznaczania parametrów kosmologicznych takich jak stała Hubble’a. Wielokrotnie wykorzystywaną własnością soczewkowania grawitacyjnego jest wzmocnienie obrazów soczewkowanych źródeł. Obserwowane w ten sposób obiekty zwykle znajdują się poza progiem detekcji i dzięki temu zjawisku mogą zostać odkryte oraz zbadane. Soczewkowanie grawitacyjne jest bardzo szeroką dziedziną, z tego powodu w rozprawie tej zostanie poruszonych jedynie kilka wybranych aspektów. Wpierw zastosowano kosmologiczną symulację Millennium w badaniu słabego soczewkowania grawitacyjnego, w tym wyznaczania głównie składowej stycznej ścinania. Prezentowane przybliżenie Borna okazało się tylko częściowo słuszne z powodu narzuconej przez autorów symulacji Millennium dostępnej niskiej rozdzielczości danych. Niemniej mimo istnienia pewnych problemów udało się przedstawić różne zależności pomiędzy wartością ścinania a przesunięciami ku czerwieni źródeł i soczewek, czy też masami soczewkujących halo ciemnej materii. Wyniki przeprowadzonych symulacji zostały umieszczone w kontekście prac innych autorów i wyników przeglądów nieba badających słabe soczewkowanie. W kolejnym rozdziale skupiono się na prezentacji wyników symulacji silnie soczewkowanych supernowych różnych typów we Wszechświecie, a także możliwości ich obserwacji. Do symulacji użyto ponownie wyników pochodzących z Millennium, wyznaczając przy ich użyciu prawdopodobieństwo silnego soczewkowania. Zwirializowane halo ciemnej materii zostały opisane jako soczewki w modelu izotermicznej elipsoidy z zewnętrznym ścinaniem. Sprawdzone zostały możliwości obserwacji soczewkowanych supernowych w przeglądach nieba takich jak Stripe 82, Gaia, LSST. Obecnie nie należy spodziewać się dużej liczby odkrywanych zjawisk tego typu (dla projektu Gaia jest to nie więcej niż 2 obiekty w ciągu jego 5-letniego trwania), niemniej budowa takich instrumentów jak LSST daje nadzieje na znaczne zwiększenie obserwowanej próbki, nawet do kilkuset zjawisk. Wykazano, że wzmocnione obrazy supernowych typu Ia mogą mieć znaczący wpływ na diagram Hubble’a, ale jednocześnie nie ma możliwości zastosowania ich do badania funkcji historii formowania się gwiazd. W ostatnim z głównych rozdziałów rozprawy zawarto wyniki modelowania układów silnego soczewkowania grawitacyjnego. Korzystając z bazy danych SDSS i katalogu CASSOWARY, wybrano 18 układów do analizy, w tym kilka wcześniej prezentowanych w literaturze. Do opisu masy soczewkującej posłużono się modelem izotermicznej elipsoidy z zewnętrznym ścinaniem, profile jasności powierzchniowej soczewki i źródła opisano profilem Sérsica. W ramach wyników przedstawiono dokładne informacje dotyczące poszczególnych parametrów każdego z modeli wraz z niepewnościami. Na podstawie tych parametrów wyznaczono jasność obserwowaną soczewek i źródeł oraz całkowite wzmocnienie w układzie. Na koniec zbadano kilka własności wymodelowanych układów, takich jak eliptyczność soczewki czy indeks Sérsica źródła. Zaskakujący i trudny do wyjaśnienia okazał się brak wprost proporcjonalnej zależności pomiędzy eliptycznością profilu masy a eliptycznością profilu jasności powierzchniowej soczewki, prawdopodobnie spowodowany przez substruktury. Dla kolejnych układów zbadane zostały korelacje pomiędzy poszczególnymi parametrami. Wyniki te zachęcają jednak do analizy większej liczby takich układów, a także zastosowanie ich do innych badań

Hypercompact stellar clusters: morphological renditions and spectro-photometric models

Numerical relativity predicts that the coalescence of a black hole-binary causes the newly formed black hole to recoil, and evidence for such recoils has been found in the gravitational waves observed during the merger of stellar-mass black holes. Recoiling (super)massive black holes are expected to reside in hypercompact stellar clusters (HCSCs). Simulations of galaxy assembly predict that hundreds of HCSCs should be present in the halo of a Milky Way-type galaxy, and a fraction of those around the Milky Way should have magnitudes within the sensitivity limit of existing surveys. However, recoiling black holes and their HCSCs are still waiting to be securely identified. With the goal of enabling searches through recent and forthcoming databases, we improve over existing literature to produce realistic renditions of HCSCs bound to black holes with a mass of 10$^{5}$ M$_{\odot}$. Including the effects of a population of blue stragglers, we simulate their appearance in Pan-STARRS and in forthcoming $Euclid$ images. We also derive broad-band spectra and the corresponding multi-wavelength colours, finding that the great majority of the simulated HCSCs fall on the colour-colour loci defined by stars and galaxies, with their spectra resembling those of giant K-type stars. We discuss the clusters properties, search strategies, and possible interlopers.Comment: Accepted for publication on MNRAS, 17 pages, 7 figure

The fast transient sky with Gaia

The ESA Gaia satellite scans the whole sky with a temporal sampling ranging from seconds and hours to months. Each time a source passes within the Gaia field of view, it moves over 10 CCDs in 45 s and a lightcurve with 4.5 s sampling (the crossing time per CCD) is registered. Given that the 4.5 s sampling represents a virtually unexplored parameter space in optical time domain astronomy, this data set potentially provides a unique opportunity to open up the fast transient sky. We present a method to start mining the wealth of information in the per CCD Gaia data. We perform extensive data filtering to eliminate known on-board and data processing artefacts, and present a statistical method to identify sources that show transient brightness variations on ~2 hours timescales. We illustrate that by using the Gaia photometric CCD measurements, we can detect transient brightness variations down to an amplitude of 0.3 mag on timescales ranging from 15 seconds to several hours. We search an area of ~23.5 square degrees on the sky, and find four strong candidate fast transients. Two candidates are tentatively classified as flares on M-dwarf stars, while one is probably a flare on a giant star and one potentially a flare on a solar type star. These classifications are based on archival data and the timescales involved. We argue that the method presented here can be added to the existing Gaia Science Alerts infrastructure for the near real-time public dissemination of fast transient events.Comment: 10 pages, 5 figures and 5 tables; MNRAS in pres

The Gravitational Wave Universe Toolbox: A software package to simulate observation of the Gravitational Wave Universe with different detectors

Context. As the importance of Gravitational Wave (GW) Astrophysics increases rapidly, astronomers in different fields and with different backgrounds can have the need to get a quick idea of which GW source populations can be detected by which detectors and with what measurement uncertainties. Aims. The GW-Toolbox is an easy-to-use, flexible tool to simulate observations on the GW universe with different detectors, including ground-based interferometers (advanced LIGO, advanced VIRGO, KAGRA, Einstein Telescope, and also customised designs), space-borne interferometers (LISA and a customised design), pulsar timing arrays mimicking the current working ones (EPTA, PPTA, NANOGrav, IPTA) and future ones. We include a broad range of sources such as mergers of stellar mass compact objects, namely black holes, neutron stars and black hole-neutron stars; and supermassive black hole binaries mergers and inspirals, Galactic double white dwarfs in ultra-compact orbit, extreme mass ratio inspirals and Stochastic GW backgrounds. Methods. We collect methods to simulate source populations and determine their detectability with the various detectors. The paper aims at giving a comprehensive description on the algorithm and functionality of the GW-Toolbox. Results. The GW-Toolbox produces results that are consistent with more detailed calculations of the different source classes and can be accessed with a website interface (gw-universe.org) or as a python package (https://bitbucket.org/radboudradiolab/gwtoolbox). In the future, it will be upgraded with more functionality.Comment: 21 pages, 26 figures, 4 tables. Submitted to Astronomy & Astrophysics; Website url: gw-universe.or

A Plausible (Overlooked) Super-luminous Supernova in the Sloan Digital Sky Survey Stripe 82 Data

We present the discovery of a plausible super-luminous supernova (SLSN), found in the archival data of Sloan Digital Sky Survey (SDSS) Stripe 82, called PSN 000123+000504. The supernova (SN) peaked at m_g < 19.4 mag in the second half of 2005 September, but was missed by the real-time SN hunt. The observed part of the light curve (17 epochs) showed that the rise to the maximum took over 30 days, while the decline time lasted at least 70 days (observed frame), closely resembling other SLSNe of SN 2007bi type. The spectrum of the host galaxy reveals a redshift of z = 0.281 and the distance modulus of μ = 40.77 mag. Combining this information with the SDSS photometry, we found the host galaxy to be an LMC-like irregular dwarf galaxy with an absolute magnitude of M_B = –18.2 ± 0.2 mag and an oxygen abundance of 12+log[O/H]=8.3 ± 0.2; hence, the SN peaked at M_g < –21.3 mag. Our SLSN follows the relation for the most energetic/super-luminous SNe exploding in low-metallicity environments, but we found no clear evidence for SLSNe to explode in low-luminosity (dwarf) galaxies only. The available information on the PSN 000123+000504 light curve suggests the magnetar-powered model as a likely scenario of this event. This SLSN is a new addition to a quickly growing family of super-luminous SNe