Gravitational Lensing by Substructures in Dark Matter Halos

Abstract

Gravitační čočkování je neocenitelným nástrojem ke studiu rozložení hmoty ve ves- míru. Tato hmota je převážně temná a shluknutá do centrálně koncentrovaných hierar- chicky strukturovaných hal galaxií a kup galaxií. Dřívější srovnání poukázala na nesoulad mezi vysokou populací substruktur predikovanou kosmologickými simulacemi a menším množstvím substruktur v pozorováních. Nedávno však byl analýzou čočkujících kup galaxií objeven značný nesoulad opačného typu. Byla pozorována mnohem vyšší účinnost čočkování substrukturami kup, než by odpovídalo kosmologickým simulacím. V této diz- ertační práci zkoumáme gravitační čočkování substrukturami vnořenými v halech temné hmoty s Navarrovým-Frenkovým-Whiteovým (NFW) hustotním profilem. Začali jsme detailním ohledáním jednoduchého modelu s halem perturbovaným jedním hmotným bo- dem. Analytickými metodami jsme studovali kritické křivky, kaustiky a jejich přechody. Dále jsme zkoumali geometrii čočkovaných obrazů a charakteristiky slabého čočkování v témže jednoduchém modelu, k čemuž jsme vyvinuli nové metody vizualizace. Nakonec jsme zkonstruovali realističtější čočkovací model kupy galaxií tvořený hlavním elipsoidál- ním halem kupy kombinovaným s populací oříznutých elipsoidálních hal jednotlivých galaxií. Pro oba typy hal uvádíme analytické vztahy úhlů odklonu....

Gravitational lensing serves as an invaluable tool for studying the distribution of mat- ter in the universe. This matter is predominantly dark and clumped into centrally concen- trated hierarchically structured halos of galaxies and galaxy clusters. Early comparisons suggested discrepancies between the high population of substructures predicted by cos- mological simulations and the lack of corresponding observational data. More recently, a major discrepancy in the opposite sense was reported from analyses of lensing galaxy clusters: the lensing efficiency of their substructures was found to be much higher than predictions based on cosmological simulations. In this thesis, we examine gravitational lensing by substructures embedded in dark-matter halos with Navarro-Frenk-White (NFW) density profiles. We start by a detailed investigation of a simple model with a single point mass perturbing the halo. Using analytical methods, we study its critical curves, caustics and their transitions. Next, we explore the geometry of lensed images and the weak-lensing characteristics of the same simple model, developing novel ways of their visualization. Finally, we construct a more realistic lens model of a galaxy cluster con- sisting of an ellipsoidal cluster halo combined with a population of truncated ellipsoidal galaxy...