Gravitational Microlensing toward the Andromeda Galaxy

Aktuelle Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass das Universum
insgesamt aus 72% Dunkler Energie, 23% nichtbaryonischer Materie
und 4.5% baryonischer Materie besteht. Von dieser baryonischen
Materie kann bisher nur ein neuntel sicher zugeordnet werden.
Ferner laesst sich aus der Rotation von Spiralgalaxien ableiten,
dass diese grosse Mengen an Dunkler Materie enthalten, die sich
rein durch ihren gravitativen Einfluss auf sichtbare Objekte im
Bulge und in der Scheibe der Galaxie zeigt. Dabei wird angenommen
dass Bulge und Scheibe in den sog. dunklen Halo eingebettet sind,
der diese unsichtbare Materie beinhaltet. Eine grundlegende Frage
ist daher aus welcher Art die dunkle Materie im Halo von
Spiralgalaxien besteht. Moegliche Kandidaten fuer solche Dunkle
Materie sind neben schwach wechselwirkenden massiven Teilchen
(WIMPs - Weakly Interacting Massive Particles) auch kompakte dunkle
Objekte im Halo von Galaxien (Machos - MAssive Compact Halo
Objects). Die vorliegende Doktorarbeit beschreibt die Suche nach
solchen Machos im Halo unserer Nachbargalaxie Andromeda (M31). Im
Falle von kompakten Objekten mit Massen im Bereich von einem
milliardstel bis zum zehntausendfachen einer Sonnenmasse
ermoeglicht der sogenannte Gravitationslinseneffekt deren direkten
Nachweis. Dabei beeinflusst die gravitative Wirkung eines kompakten
Objekts die Lichtstrahlen von im Hintergrund liegenden Sternen
derart, dass das Licht durch die Relativbewegung kurzzeitig
fokussiert und verstaerkt wird. Jedoch ist die Wahrscheinlichkeit,
dass ein Stern eine messbare Verstaerkung aufweist, weniger als 1 :
1000000. Durch Messungen von Millionen von Sternen konnten
derartige charakteristische Lichtkurven im letzten Jahrzehnt sehr
zahlreich in Richtung zum Zentrum unserer Milchstrasse nachgewiesen
werden. Eine noch groessere Herausforderung stellt der Nachweis von
Machos in der hundertmal weiter entfernten Andromeda-Galaxie (M31)
dar. Zwar erreicht uns von einzelnen Sternen von dort im Vergleich
zum Milchstrassenzentrum nur ein zehntausendstel an Strahlung,
jedoch lassen sich mit einer einzigen Aufnahme Millionen von
Sternen gleichzeitig auf Helligkeitsaenderungen ueberpruefen. Da
die Sichtlinie zum Zentrum von M31 die Halos der Milchstrasse und
von M31 durchdringt, gestattet dies Rueckschluesse auf den Anteil
der Machos in beiden Galaxien. Wegen der deutlich groesseren
Entfernung und der damit verbundenen geringeren scheinbaren
Helligkeit der Hintergrundobjekte sind die Anforderungen an die
Datenanalyse ungleich hoeher. In der vorliegenden Doktorarbeit
wurden daher neue Methoden entwickelt und aufgezeigt, um
systematische Fehler bei der Aufnahme von Bildern zu kontrollieren
und das Rauschen bei der Bildbearbeitung zu minimieren. Da die
Zeitdauer eines Gravitationslinsenereignisses sehr kurz ist,
mussten am Wendelstein-0.8-m-Teleskop, und waehrend einer
3-jaehrigen Phase am Calar-Alto-1.23-m-Teleskop, zehntausende
Aufnahmen waehrend des Zeitraums von 1997 - 2005 gewonnen und
ausgewertet werden. In dieser bezueglich der Zeitueberdeckung
einmaligen Datenbasis konnten in 4 Mio. Lichtkurven insgesamt 13
Ereignisse nachgewiesen werden, die die typischen
Helligkeitsaenderungen des Gravitationslinseneffekts aufweisen. Die
Analyse der Lichtkurven zeigt mit den in dieser Arbeit gewonnenen
theoretischen Erkenntnissen bezueglich der endlichen Groesse der
Hintergrundsterne, dass alle Gravitationslinsenkandidaten mit einem
Halo aus dunklen Objekten von 0.2 Sonnenmassen vereinbar sind.
Waehrend die Anzahl der Detektionen im Vergleich zu frueheren
theoretischen Vorhersagen deutlich geringer ausfiel, zeigten die im
Rahmen dieser Doktorarbeit entwickelten theoretischen Vorhersagen
eine sehr gute uebereinstimmung. Ob sich die beobachteten
Gravitationslinsenereignisse wirklich durch Machos im Halo oder
eventuell durch Sterne in Bulge oder Scheibe hervorgerufen wurden,
soll durch weiterfuehrende Arbeiten mittels
Monte-Carlo-Simulationen bezueglich der Detektionseffizienz
geklaert werden. Daraus lassen sich dann quantitative Aussagen
ueber die Art der dunklen Materie und den Anteil von Machos im Halo
der M31 Galaxie gewinnen.