Aspects statistiques du phénomène de lentille gravitationnelle dans un échantillon de quasars très lumineux

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Annexes

• Introduction (PDF) (1.0M)
• Chapitre 1 / Chapter 1 (PDF) (1.9M)
• Chapitre 2 / Chapter 2 (PDF) (5.2M)
• Chapitre 3 / Chapter 3 (PDF) (1.8M)
• Chapitre 4 / Chapter 4 (PDF) (4.5M)
• Chapitre 5 / Chapter 5 (PDF) (2.6M)
• Chapitre 6 / Chapter 6 (PDF) (1.8M)
• Chapitre 7 / Chapter 7 (PDF) (211k)
• Bibliographie / Bibliography (PDF) (664k)
• Annexe A / Appendix A (PDF) (3.0M)
• Annexe B / Appendix B (PDF) (1.9M)

Résumé

Notre travail forme un triptyque consacré à 1'étude du phénomène de lentille gravitationnelle au sein d'échantillons de quasars très lumineux.

Le premier volet est dévolu à la détermination ou à la contrainte de certains paramètres astrophysiques et cosmologiques (tels que l'ellipticité et la dispersion des vitesses dans les galaxies-lentilles et la constante cosmologique), au moyen d'une analyse statistique par maximum de vraisemblance des images multiples présentes dans un échantillon de 1164 quasars très lumineux (Highly Luminous quasars, HLQs).  Cette technique permet de prendre en compte simultanément leurs propriétés de configuration telles que le nombre d'images et leur séparation angulaire, la détection éventuelle de la lentille et de son redshift.  L'information relative aux seules propriétés de configuration de mirages découverts par ailleurs est également retenue.  Les déflecteurs sont modélisés par des ellipsoïdes isothermes singuliers (EIS), dont les paramètres sont ajustés pour reproduire les observations de mirages connus.  Les biais observationnels tels que les biais de sélection instrumentaux et le biais en amplification sont soigneusement pris en compte dans le calcul de la probabilité d'observation d'un mirage.  Les effets de l'extinction des quasars par de la poussière dans les galaxies-lentilles sont également étudiés.  Le résultat principal réside dans la détermination d'une limite supérieure à la valeur de la constante cosmologique : ₀(=c²/3H₀²) doit être inférieure à 0,55 avec un degré de confiance de 95%.  Les valeurs déterminées pour d'autres paramètres, tels que l'ellipticité et la dispersion des vitesses dans les galaxies-lentilles, sont entièrement compatible avec celles publiées indépendamment dans la littérature.  Cela témoigne de la cohérence des résultats.  D’autre part, à l'aide du modèle de lentille ponctuelle et du même échantillon, nous déduisons que la densité cosmologique associée à une hypothétique population uniforme d'objets sombres et compacts est inférieure à 0,01 (avec un degré de certitude de 99,7%), si leur masse est comprise entre 10^9,9 et 10^12,1 masses solaires.

Le second volet traite des associations angulaires étroites (quelques secondes d'arc) entre des quasars situés à haut redshift et des galaxies d'avant-plan, dans le contexte du phénomène de lentille gravitationnelle.  La corrélation observée s'explique alors par l'amplification du flux des quasars provoquée par les galaxies proches de leur ligne de visée.  Nous montrons, en modélisant les galaxies par des sphères isothermes non singulières, dans quelles circonstances les associations quasar-galaxies sont les plus fortes et pourquoi les résultats observationnels publiés dans la littérature sont souvent discordants.  Nous présentons également une nouvelle analyse de la présence du phénomène d'association dans un échantillon de 219 quasars brillants, dont une partie seulement avait déjà fait l'objet d'une étude (Van Drom et al. 1993).  De la confrontation des surdensités observationnelles et des prédictions théoriques, il résulte un accord globalement satisfaisant, étant données les grandes barres d'erreur observationnelles.  Quelques données individuelles sont cependant significativement  déviantes et devront être confirmées au sein d'un échantillon beaucoup plus vaste (environ 1500 HLQs) avant qu'une conclusion définitive puisse être tirée.  Le nombre d'associations quasar-galaxies induites par le phénomène de lentille gravitationnelle est beaucoup moins sensible aux valeurs des paramètres astrophysiques et/ou cosmologiques que la statistique des images multiples de quasars.

Dans le troisième et dernier volet de notre travail, nous recherchons l'influence attendue du phènombne de lentille gravitationnelle sur la détermination de la densité cosmologique d'hydrogène neutre en fonction du redshift, _HI(z), réalisée à partir de la détection d'absorptions Ly_ saturées (Damped Lyman alpha Absorptions, DLAs) dans le spectre des quasars.  Les nuages responsables des DLAs sont en effet probablement associés à des galaxies spirales (Wolfe 1995) dont le halo peut engendrer des effets de lentille gravitationnelle.  Le "phénomène de contournement" dû à la focalisation dévie la ligne de visée d'un quasar d'arrière-plan à l'extérieur de la région centrale du déflecteur, ce qui réduit la probabilité d'absorption.  D'autre part, le phénomène de biais en amplification augmente la probabilité qu'un quasar brillant présente un DLA dans son spectre.  Nous négligeons l'effet de microlentille et l'extinction due à la poussière éventuellement associée au DLA.  Nous modélisons les halos de galaxies spirales par des sphères isothermes singulières et nous montrons que la compétition entre les deux effets contraires décrits ci-dessus entraîne dans les recensements de DLAs actuellement disponibles une surestirnation prédite de _HI négligeable à haut redshift (z ~1,5), et inférieure à 35% à plus faible redshift. Cependant, si les DLAs étaient recherchés autour d'un redshift de 0,5 et devant des quasars distants de magnitude bleue b_q ~ 16, l'excès attendu de DLAs impliquerait une surévaluation de _HI de 170%.  Nous vérifions ensuite la présence de traces du phénomène dans les échantilions actuellement disponibles.  Le très petit nombre de DLAs détectés compromet la certitude statistique, mais la non-uniformité de leur répartition dans 1'échantillon de DLAs à faible redshift va dans le sens attendu sous l'hypothèse de l'action du phénomène de lentille gravitationnelle.  Enfin, nous estimons la probabilité de découvrir un mirage gravitationnel parmi des DLAs existants : elle peut s’élever à 30% pour certains objets.

Abstract

This work consists of a triptych devoted to the study of gravitational lensing in bright quasar samples.

The first part concerns the determination or the constraint of some astrophysical and cosmological parameters (such as the ellipticity or velocity dispersion of the lensing galaxies and the cosmological constant), applying the maximum likelihood statistical analysis to an optical sample of l164 highly luminous quasars (HLQs). This technique allows to make use of all the information available about a given multiply imaged QSO (number of images, angular separation, detection of the lens or of its redshift).  The data concerning other gravitational lenses are also included, if the selection criteria are known.  We model the deflector as a singular isothermal ellipsoid (SIE), whose parameters are tuned to reproduce the observations of the individual mirages.  Observational biases, like instrumental angular selection function or the magnification bias, are properly taken into account in the computation of the lensing probability.  The effects of possible extinction of the quasar image(s) by dust in the lens are also investigated.  Our main result is a limit on the cosmological constant, ₀ < 0.55, at the 95% confidence level  ₀(=c²/3H₀²).  The determinations of other astrophysical parameters, such as the ellipticity or the velocity dispersion of the lensing galaxies, are in good agreement with the values independently published in the literature.  Using the same optical sample and the Schwarzschild lens model, we also constrain the cosmological density of a uniform population of putative dark compact objects to be less than 1% in the mass range 10^9.9 - 10^12.1 solar masses, at a 99.7% confidence level.

In the second part, we investigate the close projected associations between high redshift QSOs and foreground galaxies.  In the framework of gravitational lensing, the observed correlation is due to the flux amplification of background quasars by galaxies located close to their line-of-sight.  Assuming the galaxies are well described by non singular isothermal spheres, we show under which circumstance the expected QSO-galaxy associations turn out to be the most important, how we should observe them and why published observational results are often discordant.  We also present three bias-free samples consisting of 219 different HLQs.  Only one of them had already been analysed before (Van Drom et al. 1993).  The agreement between the published galaxy overdensities and the theoretical predictions is found to be satisfactory, given the large expected observational error bars.  The confirmation of some significantly deviant data points (e.g. Webster & Hewett 1990) should be performed in a much larger and well defined sample of about 1500 HLQs (MV ~ - 29), before definite conclusions can be drawn.  The QSO-galaxy associations induced by gravitational lensing are much less sensitive to cosmological or astrophysical parameters than the statistics of multiply-imaged HLQs.

In the last part of our study, we search for the influence of gravitational lensing on the determination of the cosmological density of neutral hydrogen, made from Damped Lyman alpha Absorptions (DLAs) surveys in quasar spectra.  Indeed, the intergalactic clouds responsible for the DLAs are probably associated with spiral galaxies (Wolfe 1995).  Gravitational lensing by the halo of spiral galaxies produces first a "by pass" effect, causing the lines-of-sight to background QSOs to avoid the central part of the galaxy disk and the optical depth of absorption to decrease, and secondly a magnification bias which increases the probability for a bright QSO to be lensed and therefore to exhibit a DLA in its spectrum.  Neglecting extinction by dust and microlensing and assuming the halos are isothermal singular spheres, we show that the competition between the two opposite effects leads, in the present DLA samples, to an overestimation of _HI that is negligible at high redshift (z ~ 1.5) and lower than 35% at lower redshifts.  However, the expected overestimation of _HI can be as large as 170% when DLAs are searched at z ~ 0.5 in the spectra of bright (b_q ~ 16) and distant (z_s > 1) quasars.  We then check if presently available DLA samples are really affected by gravitational lensing.  Despite the very small number statistics, we find some possible indications of the expected gravitational lensing effects in the low redshift sample.  Finally, we estimate the probability that a QSO with a DLA is multiply imaged.  It can be as high as 30% for some observed DLAs.

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