Gravitational lensing with galaxy clusters

This work explores some aspects of gravitational lensing analyses of clusters of galaxies. These massive gravitationally bound objects in the observable Universe represent the high-mass tail of the mass function, making them objects of capital interest for cosmology. Clusters not only allow for the derivation of several cosmological parameters via their mass function, but they are also cosmic laboratories. A very promising method to derive cluster mass properties from observations is gravitational lensing. Light rays of distant background sources are bent on the way to the observer due to the high mass concentrations of clusters. Therefore, they carry important information about the deectors, which in the clusters' case are important objects for cosmology. The cluster abundance, total mass and mass distribution has to be known very accurately to study and to descriminate cosmological models. The telescope we used to observe galaxy clusters is the Large Binocular Telescope (LBT) and its Cameras (LBC). We will show that this instrument permits to perform accurate weak lensing analyses: the 8.4m primary mirrors allow to obtain deep images and therefore the large numerical density of background sources needed to minimize the intrisic contribute of ellipticity of the sources. The eld of view (23'×250) of the cameras permits to extend the mass density prole to the external regions of the clusters. This allows to get data on tipically unexplored in weak lensing analyses and therefore to no longer suer of the mass-sheet degeracy problem. Since weak lensing yields information only on coarse angular scales, in order to obtain a more realistic mass density prole in the core of clusters we need to use the strong lensing information when available. In fact while weak gravitational lensing allows a reliable reconstruction in the outermost regions of the clusters, strong lensing eects are dominant near the core and permit an accurate mass prole reconstruction in these regions. Hence, we will study a non-parametric method which combines weak and strong gravitational lensing for the reconstruction of the whole mass prole in galaxy clusters. After describing the main principles of our method, we show its numerical implemention. First tests on numerical simulations explore the accuracy and reliability of our code and its range of applicability.

Questo lavoro di Tesi esplora alcuni aspetti del lensing gravitazionale su ammassi di galassie. Questi oggetti massivi sono di capitale importanza per la cosmologia e l'astrosica: permettono non solo la derivazione di acuni parametri cosmologici attraverso la loro funzione di massa ma sono anche dei laboratori cosmologici. Un metodo molto promettente di derivare dalle osservazione le distribuzioni di massa degli ammassi è il lensing gravitazionale. La luce emessa da sorgenti di background viene distorta a causa delle alte concentrazioni di massa degli ammassi. L'abbondanza di cluster, la massa totale e i proli di massa devono essere stimati con accuratezza per studiare e discriminare i modelli cosmologici. Il telescopio che abbiamo utilizzato per osservare gli ammassi di galassie è il Large Binocular Telescope (LBT) e le sue Camere (LBC). Mostreremo che questo strumento permette di realizzare accurate analisi di weak lensing: gli specchi primari da 8.4 metri di diametro consentono di ottenere immagini profonde e quindi un'alta densità di galassie di background, necessaria per minimizzare il contributo intrinseco della ellitticità delle sorgenti. Il campo di vista (230×250) delle camere permette di estendere i proli di densità di massa alle regioni più esterne dei clusters e quindi consente di ottenere dati su regioni normalmente inesplorate degli ammassi e rompere la mass-sheet degeneracy. Siccome il weak lensing fornisce informazioni solo su scale angolari ampie, per ottenere un prolo di massa più realistico nel core dei clusters, è necessario utilizzare l'informazione che viene dallo strong lensing se disponibile. Infatti il weak lensing permette una ricostruzione accurata nelle regioni più esterne dei cluster, mentre lo strong lensing è dominante nei core e lì permette un'accurata ricostruzione dei proli di massa. Per cui, mostreremo un metodo non parametrico che combina il weak e lo strong lensing per ottenere un prolo di massa completo per i cluster. Dopo aver descritto i principi del metodo, mostreremo le implementazioni numeriche. I primi test su simulazioni numeriche esplorano l'accuratezza e la realizzabilità del nostro codice e il suo range di applicabilità.