Modélisation de lentilles gravitationnelles et design de télescopes non-obstrués pour les sondages grands champs

Gravitational lens modelling and unobstructed telesceopes for wide field surveys

• Auteur / Autrice : Balasubramanian Singaravelu
• Direction : Rémi Cabanac, Geneviève Soucail
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astrophysique
• Date : Soutenance en 2014
• Etablissement(s) : Toulouse 3

Mots clés

Mots clés contrôlés

Télescopes spatiaux

Lentilles gravitationnelles

Mots clés libres

Astrophysique

Cosmologie

Design optique

Télescope

Lentilles gravitationnelles

Résumé

Les lentilles gravitationnelles fortes sont des sondes importantes pour étudier la cosmologie, et l'univers extragalactique, mais la modélisation des lentilles gravitationnelles est un problème inverse complexe. Dans une première partie nous étudions une nouvelle méthode d'inversion des arcs gravitationnels pour déduire les caractéristiques physiques des objets physiques. Habituellement, dans la modélisation de lentilles gravitationnelles, la lentille d'avant-plan est décrite par un modèle paramétrique, alors que la source d'arrière-plan n'est modélisée que par sa position et son flux. Dans ce travail, Nous améliorons l'approche paramétrique existante en modélisant en même temps la lentille et la source par des modèles paramétriques. Nous utilisons un modèle d'ellipsoïde isotherme non singulière (NIE en anglais) pour décrire les lentilles et un modèle de Sérsic pour la source. Notre méthode est d'abord vérifiée sur simulations. Elle donne des résultats rigoureux sur des arcs simulés. Nous appliquons ensuite notre méthode à des données réelles a` haut rapport signal-à-bruit: un sous-ensemble du Strong Lensing Legacy Survey (SL2S) et du Sloan Lensing ACS Survey (SLACS). Nous présentons ici les caractéristiques physiques des lentilles et sources que nous avons obtenus avec notre méthode d'inversion. A partir de ces objets, nous étudions la distribution de la matière noire aux échelles des halos de galaxies et la morphologie des sources à redshift élevé. Nous trouvons que la fraction de matière sombre à l'intérieur du rayon Einstein est de 20%±8. Nous pouvons également contraindre pour la première fois la fraction de masse présente dans le coeur des lentilles mesurées de l'ordre de 5%±2. Dans une deuxième partie, nous étudions les caractéristiques optiques de télescopes hors-axes en vue de leur application pour des projets spatiaux demandant une qualité d'image a` très haute résolution sur de grands champs (par exemple la mesure d'effets de lentille faible). Les télescopes présentant une pupille non-obstruée (optique hors- axe) sont connus pour fournir des fonctions d'étalement ponctuelles (PSF de l'anglais Point spread function) piquées et "propres" dans leur plan focal, contrairement aux télescopes traditionnels présentant une obstruction de leur pupille (par exemple les types Cassegrain, Ritchey-Chrétien). Les progrès récents dans la fabrication et l'assemblage de surfaces asphériques favorise télescopes non-obstrués sur les télescopes obstruées, au moins en théorie. Dans ce travail, nous comparons quantitativement la qualité d'image de deux designs optique a` trois miroirs (en anglais Three Mirror Anastigmat TMA), un design non-obstrué et un design obstrué. Les deux modèles ont le même miroir primaire, la même longueur focale, le même champ de vue et les mêmes détecteurs. Nous construisons des simulations réalistes de galaxies pour tester la performance des deux designs. Nous démontrons que les deux les designs peuvent mesurer les caractéristiques morphologiques observables en jeu dans les effets de lentille faible avec la même précision. Dans le cas du design obstrué cette performance est atteinte uniquement si la PSF est reconstruite à moins de 12 minutes d'arc de la galaxie mesurée. Dans le cas du design non-obstrué, cette précision optimale est atteinte même si la PSF est reconstruite à plus de 50 minutes d'arc de la galaxie mesurée. Finalement, nous discutons les avantages et inconvénients des designs respectifs.

Strong gravitational lenses are an important probe to study the cosmology of the extragalactic universes but gravitational lens modelling is an ill-posed problem. Usually in gravitational lens modelling the lens is described using a parametric model but the background source is not. We improve the existing parametric approach by modelling both the lens and the source using a parametric model. We use a non-singular isothermal ellipsoid model to describe the lens and a Sérsic light profile to describe the source. Our method yields rigorous results on simulated gravitational arcs. We also applied our method to a set of high S/N gravitational arcs in the SL2S and SLACS database. We present the lens and source parameters we obtained for these lenses. Using these parameters we study the distribution of dark matter in galaxy scale halos and the morphology of high redshift sources. We find the fraction of dark matter within the Einstein radius to be 0. 2±0. 08 and the lens mass present in the core is in the order of 5±2%. Telescopes with unobstructed pupil are known to deliver clean point spread function (PSF) to their focal plane, in contrast to traditional telescopes with obstructed pupil. Recent progress in the manufacturing aspheric surfaces and mounting accuracy favors unobstructed telescopes over obstructed telescopes for science cases that demand stable and clean PSF over the entire field-of-view. We compare the image quality of an unobstructed Three-Mirror-Anastigmat (TMA) design with that of an obstructed TMA. Both the designs have the same primary mirror, effective focal length, field-of-view and detector characteristics. We demonstrate using simulated images of faint elliptical galaxies imaged through the two designs, that both the designs can measure weak lensing observables with same precision, if the PSF is reconstructed within 12 arc-minutes from the source. We also demonstrate that, the unobstructed design delivers desirable precision even if the PSF is reconstructed 50 arc-minutes away from the source.