Gravitational microlensing for the detection of MACHOs towards M31: data analysis with the AGAPE method

This thesis work is dedicated to the problem of the searchand the characterisation of dark matter. From an observationalpoint of view, on different lenght scale, from galatic to the entire Universe,it exists a disagreement between the dynamical and luminousestimation of the mass of astrophysical objects (as galaxies and clusterof 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 componentof mass, dark meaning that it doesn't emit electromagnetic radiationand whose presence can be detected through its gravitational effects.Even if both theory and observation agree on the need ofsuch a component, a still unanswered question is the nature ofsuch mass component.We are going to address the problem of the dark matter component in galatic haloes, wherethe 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 componenentin 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 distributionof 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 oneto detect luminosity variations of unresolved sources. In the first chapter we recall some basics points aboutthe 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 dealwith the tecniques used to analyse the signal with respect to the problem of the detectionof microlening event. The background noisebeing given here by variable stars, in particularwe study how we can characterize the achromaticitypropertie of the signal that interest us.We then discuss the results from two simulations:the first one aimed at the study of the selectioncriteria 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 somekind of variable sources. We carry out an extensionof 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 fractionof the galactic haloes is in form of MACHO, and in particularto exclude as a major component substellar objects.
Questo lavoro di tesi è dedicato al problema della ricerca edella caratterizzazione della \emph(materia oscura). A livelloosservativo, su diverse scale, da quelle galattiche (inparticolare nella Via Lattea) fino all'intero universo, esistedisaccordo tra le stime \emph(dinamiche) della massa di oggettiastrofisici (come galassie o ammassi di galassie) rispetto allastima della loro massa \emph(luminosa). Si tratta, in un certomodo, di un problema di massa \emph(mancante). Si rende cosìnecessaria, nell'ambito del quadro teorico del modellocosmologico standard, l'introduzione di una componente di materia``oscura'', nel senso che non emette radiazione elettromagnetica,la cui presenza può essere rilevata attraverso effettigravitazionali. Nonostante la convergenza di prove osservative edesigenze teoriche a sostegno dell'ipotesi della sua esistenza, uninterrogativo a cui non è ancora stata data una rispostabasata su solide evidenze sperimentali è quello della stessanatura di tale componente di massa.Affrontiamo in particolare il problema della materia oscura neglialoni galattici, dove le evidenze osservative (curve di rotazione)risultano più stringenti. Per questo analizziamo un insiemeoriginale di dati sperimentali (i dati ``MDM'', frutto di unaapposita campagna osservativa tuttora in corso di svolgimentopresso l'osservatorio Michigan-Dartmouth-MIT, USA) acquisiti perlo studio della componente oscura sotto forma di oggetti massivicompatti (MACHOs, \emph(Massive Astrophysical Compact HaloObjects)) nell'alone della Galassia (la nostra Via Lattea) edella galassia vicina di Andromeda, M31 (ovvero NGC224). Questaricerca si basa su di un effetto di natura gravitazionale, il\emph(microlensing), ovvero la deflessione della luce generata daun oggetto oscuro massivo in moto che attraversa la linea di vistatra l'osservatore e una sorgente luminosa che si manifesta con unincremento della luminosità della sorgente. Dallo studio diqueste variazioni di luminosità nel tempo è possibilerisalire, per via indiretta, alla distribuzione della materiasotto forma di MACHOs nell'alone. L'analisi è stata condottacon la tecnica detta del \emph(pixel lensing) (proposta eimplementata dalla collaborazione AGAPE, \emph(Andromeda GalaxyAmplified Pixel Experiment)), che permette il rilevamento divariazioni di luminosità di stelle \emph(non) risolte (inparticolare questo consente di considerare le possibili sorgentiin una galassia distante come M31).Nel capitolo 1, introdotti gli elementi del modello cosmologicostandard e quindi il problema della materia oscuranell'appropriato contesto cosmologico e astrofisico, delineamo iprincipi del \emph(microlensing) gravitazionale e il metodo del\emph(pixel lensing). Nel capitolo 2 descriviamo l'apparatosperimentale e l'acquisizione dei dati (a cui chi scrive ha avutomodo di partecipare direttamente). Quindi analizziamo indettaglio il trattamento preliminare delle immagini necessarioper rendere significativo il successivo studio dei segnaliastrofisici interessanti. In particolare vengono discussi alcuniaspetti quali la composizione di più immagini e le operazionidi ``normalizzazione'' del flusso. Nel capitolo 3 affrontiamo letematiche connesse all'analisi del segnale rispetto al problemadella selezione di eventi di \emph(microlensing). Il ``rumore''di fondo che ne contamina la ricerca è costituito da sorgentiintrensicamente variabili. Per questo consideriamo in dettaglioil modo di sfruttare la caratteristica \emph(acromaticità)del segnale che ci interessa. Basandoci su di una opportunasimulazione consideriamo inoltre il problema dell'efficacia deicriteri di selezione adottati. Discutiamo infine i risultatidelle simulazioni Monte Carlo dell'esperienza. Vengono quindiapprofonditi, nel capitolo 4, diversi aspetti legati all'analisieffettuata. Rivolgiamo particolare attenzione allo studio deglieffetti cromatici delle variazioni di luminosità rilevate ediscutiamo in questa prospettiva segnali di sorgenti variabili ein particolare alcuni attribuibili a delle \emph(novæ).Esponiamo quindi un primo risultato dell'analisi, lo studio delprolungamento sui nostri dati di candidati eventi\emph(microlensing) rilevati da altre collaborazioni. Infinediscutiamo i risultati della selezione, 5 \emph(curve di luce)(la variazione di flusso nel tempo in un elementodell'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 risultatidi analoghe esperienze svolte nell'ambito della Galassia) che solouna piccola frazione degli aloni galattici è costituita daMACHOs, e in particolare a escludere come componente importantequella di oggetti di massa substellare.