For 20 years now, gravitational microlensing observations towards the Galactic bulge have provided us with a wealth of information about the stellar and planetary content of our Galaxy, which is inaccessible via other current methods. This thesis summarises work on two research topics that arose in the context of exoplanetary microlensing, but we take a step back and consider ways of increasing our understanding of more fundamental phenomena: firstly, stellar microlenses in our Galaxy that were stereoscopically observed and, secondly, the morphological variety of binary-lens light curves. In autumn 2008, the ESA Rosetta spacecraft surveyed the Galactic bulge for microlensing events. With a baseline of ∼1.6 AU between the spacecraft and ground observations, significant parallax effects can be expected. We develop a photometry pipeline to deal with a severely undersampled point spread function in the crowded fields of the Galactic bulge, making use of complementary ground observations. Comparison of Rosetta and OGLE light curves provides the microlens parallax π[subscript{E}] , which constrains the mass and distance of the observed lenses. The lens mass could be fully determined if future proper motion measurements were obtained, whereas the lens distance additionally requires the determination of the source distance. In the second project, we present a detailed study of microlensing light curve morphologies. We provide a complete morphological classification for the case of the equal-mass binary lens, which makes use of the realisation that any microlensing peak can be categorised as one of only four types: cusp-grazing, cusp-crossing, fold-crossing or fold-grazing. As a means for this classification, we develop a caustic feature notation, which can be universally applied to binary lens caustics. Ultimately, this study aims to refine light curve modelling approaches by providing an optimal choice of initial parameter sets, while ensuring complete coverage of the relevant parameter space.

Today the search for and study of exoplanets is one of the most interesting areas of modern astronomy. Over the last two decades, the number of detected exoplanets continues to increase. At present, over 3,300 exoplanets have been discovered. This thesis presents high precision studies based on the transit and microlensing methods which are used to detect hot and cool exoplanets, respectively. In this thesis, the effects of intrinsic stellar noise to the detectability of an exomoon orbiting a transiting exoplanet are investigated using transit timing variation and transit duration variation. The effects of intrinsic stellar variation of an M-dwarf reduce the detectability correlation coefficient by 0.0-0.2 with 0.1 median reduction. The transit timing variation and transmission spectroscopy observations and analyses of a hot-Neptune, GJ3470b, from telescopes at Thai National Observatory, and the 0.6-metre PROMPT-8 telescope in Chile are presented, in order to investigate the possibility of a third body in the system and to study its atmosphere. From the transit timing variation analyses, the presence of a hot Jupiter with a period of less than 10 days or a planet with an orbital period between 2.5 and 4.0 days in GJ3470 system are excluded. From transmission spectroscopy analyses, combined optical and near-infrared transmission spectroscopy favour a H/He dominated haze (mean molecular weight 1.08 \pm 0.20) with methane in the atmosphere of GJ3470b. With the microlensing technique, real-time online simulations of microlensing properties based on the Besancon Galactic model, called Manchester-Besancon Microlensing Simulator (MaBulS), are presented. We also apply it to the recent MOA-II survey results. This analysis provides the best comparison of Galactic structure between a simulated Galactic model and microlensing observations. The best-fitting model between Besancon and MOA-II data provides a brown dwarf mass function slope of -0.4. The Besancon model provides only 50 per cent of the measured optical depth and event rate per star at low Galactic latitude around the inner bulge. However, the revised MOA-II data are consistent the Besancon model without any missing inner bulge population.

In dieser Dissertation nutze ich den Gravitationslinseneffekt, um eine Reihe von kosmologischen Fragen zu untersuchen. Der Laufzeitunterschied des Gravitationslinsensystems HE1104-1805 wurde mit unterschiedlichen Methoden bestimmt. Zwischen den beiden Komponenten erhalte ich einen Unterschied von Delta_t(A-B) = -310 +-20 Tagen (2 sigma Konfidenzintervall).<br /> Außerdem nutze ich eine dreijährige Beobachtungskampagne, um den Doppelquasar Q0957+561 zu untersuchen. Die beobachteten Fluktuationen in den Differenzlichtkurven lassen sich durch Rauschen erklären, ein Mikrogravitationslinseneffekt wird zur Erklärung nicht benötigt. Am Vierfachquasar Q2237+0305 untersuchte ich den Mikrogravitationslinseneffekt anhand der Daten der GLITP-Kollaboration (Okt. 1999-Feb. 2000). Durch die Abwesenheit eines starken Mikrogravitationslinsensignals konnte ich eine obere Grenze von v=600 km/s f für die effektive Transversalgeschwindigkeit der Linsengalaxie bestimmen (unter der Annahme von Mikrolinsen mit 0.1 Sonnenmassen). <br /> Im zweiten Teil der Arbeit untersuchte ich die Verteilung der Dunklen Materie in Galaxienhaufen. Für den Galaxienhaufen Cl0024+1654 erhalte ich ein Masse-Leuchtkraft-Verhältnis von M/L = 200 M_sun/L_sun (innerhalb eines Radius von 3 Bogenminuten). Im Galaxienhaufen RBS380 finde ich eine relativ geringe Röntgenleuchtkraft von L =2*10^(44) erg/s, obwohl im optischen eine große Anzahl von Galaxien gefunden wurde. / In this thesis the gravitational lensing effect is used to explore a number of cosmological topics. We determine the time delay in the gravitationally lensed quasar system HE1104-1805 using different techniques. We obtain a time delay Delta_t(A-B) Delta_t(A-B) =-310 +- 20 days (2 sigma errors) between the two components. We also study the double quasar Q0957+561 during a three years monitoring campaign. The fluctuations we find in the difference light curves are completely consistent with noise and no microlensing is needed to explain these fluctuations. Microlensing is also studied in the quadruple quasar Q2237+0305 during the GLITP collaboration (Oct.1999-Feb.2000). We use the absence of a strong microlensing signal to obtain an upper limit of v=600 km/s for the effective transverse velocity of the lens galaxy (considering microlenses with 0.1 solar masses). The distribution of dark matter in galaxy clusters is also studied in the second part of the thesis. In the cluster of galaxies Cl0024+1654 we obtain a mass-to-light ratio of M/L = 200 M_sun/L_sun (within a radius of 3 arcminutes). In the galaxy cluster RBS380 we find a relatively low X-ray luminosity for a massive cluster of L =2*10^(44) erg/s, but a rich distribution of galaxies in the optical band.

When Galactic microlensing events of stars are observed, one usually measures a symmetric light curve corresponding to a single lens, or an asymmetric light curve, often with caustic crossings, in the case of a binary lens system. In principle, the fraction of binary stars at a certain separation range can be estimated based on the number of measured microlensing events. However, a binary system may produce a light curve which can be fitted well as a single lens light curve, in particullary if the data sampling is poor and the errorbars are large. We investigate what fraction of microlensing events produced by binary stars for different separations may be well fitted by and hence misinterpreted as single lens events for various observational conditions. We find that this fraction strongly depends on the separation of the binary components, reaching its minimum at between 0.6 and 1.0 Einstein radius, where it is still of the order of 5% The Einstein radius is corresponding to few A.U. for typical Galactic microlensing scenarios. The rate for misinterpretation is higher for short microlensing events lasting up to few months and events with smaller maximum amplification. For fixed separation it increases for binaries with more extreme mass ratios.<br><br> Problem of degeneracy in photometric light curve solution between binary lens and binary source microlensing events was studied on simulated data, and data observed by the PLANET collaboration. The fitting code BISCO using the PIKAIA genetic algorithm optimizing routine was written for optimizing binary-source microlensing light curves observed at different sites, in I, R and V photometric bands. Tests on simulated microlensing light curves show that BISCO is successful in finding the solution to a binary-source event in a very wide parameter space. Flux ratio method is suggested in this work for breaking degeneracy between binary-lens and binary-source photometric light curves. Models show that only a few additional data points in photometric V band, together with a full light curve in I band, will enable breaking the degeneracy. Very good data quality and dense data sampling, combined with accurate binary lens and binary source modeling, yielded the discovery of the lowest-mass planet discovered outside of the Solar System so far, OGLE-2005-BLG-390Lb, having only 5.5 Earth masses. This was the first observed microlensing event in which the degeneracy between a planetary binary-lens and an extreme flux ratio binary-source model has been successfully broken. For events OGLE-2003-BLG-222 and OGLE-2004-BLG-347, the degeneracy was encountered despite of very dense data sampling. From light curve modeling and stellar evolution theory, there was a slight preference to explain OGLE-2003-BLG-222 as a binary source event, and OGLE-2004-BLG-347 as a binary lens event. However, without spectra, this degeneracy cannot be fully broken.<br><br> No planet was found so far around a white dwarf, though it is believed that Jovian planets should survive the late stages of stellar evolution, and that white dwarfs will retain planetary systems in wide orbits. We want to perform high precision astrometric observations of nearby white dwarfs in wide binary systems with red dwarfs in order to find planets around white dwarfs. We selected a sample of observing targets (WD-RD binary systems, not published yet), which can possibly have planets around the WD component, and modeled synthetic astrometric orbits which can be observed for these targets using existing and future astrometric facilities. Modeling was performed for the astrometric accuracy of 0.01, 0.1, and 1.0 mas, separation between WD and planet of 3 and 5 A.U., binary system separation of 30 A.U., planet masses of 10 Earth masses, 1 and 10 Jupiter masses, WD mass of 0.5M and 1.0 Solar masses, and distances to the system of 10, 20 and 30 pc. It was found that the PRIMA facility at the VLTI will be able to detect planets around white dwarfs once it is operating, by measuring the astrometric wobble of the WD due to a planet companion, down to 1 Jupiter mass. We show for the simulated observations that it is possible to model the orbits and find the parameters describing the potential planetary systems. / Bei von Sternen verursachten Mikrolinsen-Ereignissen beobachtet man meist symmetrische Lichtkurven einer einzelnen Linse oder asymmetrische Lichtkurven (oftmals mit Kaustik-Crossing), die durch Doppel-Linsen hervorgerufen werden. Im Prinzip kann aus der Zahl der gemessenen unsymmetrischen Ereignisse der Anteil der Doppelstern-Systeme in Abhängigkeit vom Winkelabstand abgeschätzt werden. Allerdings kann auch ein Doppelsystem Lichtkurven erzeugen, die gut mit einer Einzellinsen-Lichtkurve gefittet werden können. Die gilt insbesondere bei lückenhafter Messung oder grossen Messfehlern. In dieser Arbeit wird für verschiedene Beobachtungsbedingungen untersucht, wie häufig Lichtkurven, die von Doppellinsen mit unterschiedlichen Abständen erzeugt werden, gut mit Einzellinsen-Lichtkurven gefittet werden können und damit fehlinterpretiert werden. Es wurde herausgefunden, dass der Anteil fehlinterpretierter Lichtkurven stark von der Separation der Komponenten abhängig ist: das Minimum liegt zwischen 2 A.E. and 5 A.E. / wobei der Anteil immer noch 5% beträgt. Die Rate der Fehlinterpretationen ist höher für kurze Mikrolinsen-Ereignisse (bis zu wenigen Monaten) und für Ereignisse mit geringer Maximalverstärkung. Bei gleicher Separation steigt die Rate mit extremeren Massenverhältnissen an.<br><br> Das Problem der Degenerierung zwischen den Lichtkurven für doppelte Linsensysteme und doppelte Hintergrund-Quellen wurde anhand simulierter Daten und mit Beobachtungsdaten des PLANET Projekts untersucht. Der Fit-Code BISCO, der den genetischen Algorithmus PIKAIA nutzt, wurde geschrieben, um Doppel-Linsen Lichtkurven, die von verschiedenen Observatorien in den photometrischen Bändern I, B, und V gemessen wurden, zu modellieren. Tests mit simulierten Daten haben gezeigt, dass BISCO in der Lage ist, in einem sehr weiten Parameterbereich die korrekte Lösung für die Lichtkurve einer Doppel-Linsen zu finden. In dieser Arbeit wird die Flussverhältnis-Methode empfohlen, um die Degenerierung zwischen Doppel-Linse und Doppel-Quelle aufzulösen. Modellierungen zeigen, dass nur wenige zusätzliche Datenpunkte im V-Band genügen, um zusammen mit einer vollständigen Lichtkurve im I-Band die Degenerierung aufzubrechen. Mit sehr guter Datenqualität und zeitlich dichten Messungen, kombiniert mit genauer Modellierung von Doppel-Linsen und Doppel-Quellen, gelang die Entdeckung des bisher masseärmsten Planeten ausserhalb des Sonnensystems: OGLE-2005-BLG-390Lb, mit nur 5.5 Erdmassen. Dies war das erste Mikrolinsen-Ereignis, bei dem die Degenerierung zwischen plantarer Doppel-Linse und einer Doppel-Quelle mit extremem Flussverhältnis erfolgreich aufgelöst wurde. Für die Ereignisse OGLE-2003-BLG-222 und OGLE-2004-BLG-347 besteht die Degenerierung trotz sehr dichter Messungen. Aufgrund der Lichtkurvenmodellierung und Argumenten aus der Theorie der Sternentwicklung ist die Erklärung von OGLE-2003-BLG-222 als Doppel-Quelle und OGLE-2004-BLG-347 als Doppel-Linsen Ereignis vorzuziehen. Allerdings kann die Degenerierung ohne spektrale Daten nicht vollständig aufgelöst werden.<br><br> Bisher wurde kein Planet als Begleiter eines Weissen Zwerges gefunden, obwohl es möglich sein sollte, dass jupiterähnliche Planeten die Spätstadien der Sternentwicklung überleben und dass sich Weisse Zwerge Planetensysteme mit weiten Umlaufbahnen erhalten können. Wir planen hochgenaue astrometrische Beobachtungen von nahen Weissen Zwergen in weiten Doppelsystemen, um Planeten um Weisse Zwerge zu finden. Wir haben eine Stichprobe von Systemen zusammengestellt, in denen möglicherweise Planeten gefunden werden könnten. Wir haben synthetische astrometrische Orbits modelliert, die für diese Systeme mit existierenden und zukünftigen astrometrischen Instrumenten beobachtbar sind. Die Modellierungen wurden für astrometrische Genauigkeiten von 0.01, 0.1, 1.0 Mikrobogensekunden gerechnet. Als Abstände zwischen weissem Zwerg und Planet wurden 3, 5 und 10 Astronomische Einheiten angenommen, für den Abstand zwischen den Doppelsternkomponenten 30 A.E. Als Planetenmassen wurden 10 Erdmassen, bzw. 1 und 10 Jupitermassen gewählt, als Masse für den weissen Zwerg 0.5 und 1.0 Sonnenmassen. Die Distanzen zum System betragen 10 und 20 parsec. Als Resultat dieser Untersuchung wurde herausgefunden, dass das PRIMA Instrument am VLTI in der Lage sein wird, die astrometrischen Oszillationen, die ein Planet ab einer Jupitermasse verursacht, zu detektieren. Wir zeigen, dass es möglich sein wird, die Umlaufbahnen solcher Planeten zu modellieren und damit die Parameter dieser Planetensysteme zu bestimmen.

Thesis (Ph. D.)--University of Washington, 2002. / Vita. Includes bibliographical references (p. 301-311).

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Die Untersuchung mikrogelinster astronomischer Objekte ermöglicht es, Informationen über die Größe und Struktur dieser Objekte zu erhalten. Im ersten Teil dieser Arbeit werden die Spektren von drei gelinsten Quasare, die mit dem Potsdamer Multi Aperture Spectrophotometer (PMAS) erhalten wurden, auf Anzeichen für Mikrolensing untersucht. In den Spektren des Vierfachquasares HE 0435-1223 und des Doppelquasares HE 0047-1756 konnten Hinweise für Mikrolensing gefunden werden, während der Doppelquasar UM 673 (Q 0142--100) keine Anzeichen für Mikrolensing zeigt. Die Invertierung der Lichtkurve eines Mikrolensing-Kausik-Crossing-Ereignisses ermöglicht es, das eindimensionale Helligkeitsprofil der gelinsten Quelle zu rekonstruieren. Dies wird im zweiten Teil dieser Arbeit untersucht. Die mathematische Beschreibung dieser Aufgabe führt zu einer Volterra'schen Integralgleichung der ersten Art, deren Lösung ein schlecht gestelltes Problem ist. Zu ihrer Lösung wird in dieser Arbeit ein lokales Regularisierungsverfahren angewendet, das an die kausale Strukture der Volterra'schen Gleichung besser angepasst ist als die bisher verwendete Tikhonov-Phillips-Regularisierung. Es zeigt sich, dass mit dieser Methode eine bessere Rekonstruktion kleinerer Strukturen in der Quelle möglich ist. Weiterhin wird die Anwendbarkeit der Regularisierungsmethode auf realistische Lichtkurven mit irregulärem Sampling bzw. größeren Lücken in den Datenpunkten untersucht. / The study of microlensed astronomical objects can reveal information about the size and the structure of these objects. In the first part of this thesis we analyze the spectra of three lensed quasars obtained with the Potsdam Multi Aperture Spectrophotometer (PMAS). The spectra of the quadrupole quasar HE 0435--1223 and the double quasar HE 0047--1756 show evidence for microlensing whereas in the double quasar UM 673 (Q 0142--100) no evidence for microlensing could be found. By inverting the lightcurve of a microlensing caustic crossing event the one dimensional luminosity profile of the lensed source can be reconstructed. This is investigated in the second part of this thesis.The mathematical formulation of this problem leads to a Volterra integral equation of the first kind, whose solution is an ill-posed problem. For the solution we use a local regularization method which is better adapted to the causal structure of the Volterra integral equation compared to the so far used Tikhonov-Phillips regularization. Furthermore we show that this method is more robust on reconstructing small structures in the source profile. We also study the influence of irregular sampled data and gaps in the lightcurve on the result of the inversion.

Subject of this work is the study of applications of the Galactic Microlensing effect, where the light of a distant star (source) is bend according to Einstein's theory of gravity by the gravitational field of intervening compact mass objects (lenses), creating multiple (however not resolvable) images of the source. Relative motion of source, observer and lens leads to a variation of deflection/magnification and thus to a time dependant observable brightness change (lightcurve), a so-called microlensing event, lasting weeks to months. <br><br> The focus lies on the modeling of binary-lens events, which provide a unique tool to fully characterize the lens-source system and to detect extra-solar planets around the lens star. Making use of the ability of genetic algorithms to efficiently explore large and intricate parameter spaces in the quest for the global best solution, a modeling software (Tango) for binary lenses is developed, presented and applied to data sets from the PLANET microlensing campaign. For the event OGLE-2002-BLG-069 the 2nd ever lens mass measurement has been achieved, leading to a scenario, where a G5III Bulge giant at 9.4 kpc is lensed by an M-dwarf binary with total mass of M=0.51 solar masses at distance 2.9 kpc. Furthermore a method is presented to use the absence of planetary lightcurve signatures to constrain the abundance of extra-solar planets. / Thema der Arbeit ist das Studium von Anwendungen des Galaktischen Mikrolinseneffektes bei dem das Licht eines entfernten Sternes (Quelle) nach Einstein's Theorie der Gravitation im Schwerefeld eines sich hinreichend nahe der Sichlinie zur Quelle befindlichen massereichen kompakten Objektes (Linse) abgelenkt wird und Mehrfachbilder der Quelle erzeugt werden (welche jedoch nicht aufgelöst werden können). Die Relativbewegung von Quelle, Beobachter und Linse führt zur einer Änderung der Ablenk-und Verstärkungswirkung und somit zu einer beobachtbaren Helligkeitsänderung der Quelle (Lichtkurve), einem sogenannten Mikrolinsenereignis, welches Wochen bis Monate andauert. <br><br> Der Schwerpunkt liegt in der Modelierung von Doppellinsen-Ereignissen, welche die einzigartige Möglichkeit bieten das Linsen-Quelle System vollständig zu charakterisieren und extra-solare Planeten um den Linsenstern zu detektieren. Unter Verwendung der Eigenschaft genetischer Algorithmen hoch-dimensionale und komplizierte Parameterräume effizient nach dem besten globalen Model zu durchsuchen, wird eine Modelier-Software (Tango) entwickelt, präsentiert und auf Daten der PLANET Mikrolinsen Beobachtungskampagne angewandt. Dabei konnte für das Ereignis OGLE-2002-BLG-069 zum zweitenmal überhaupt die Linsenmasse bestimmt werden, in einem Szenario bei dem ein G5III Bulge Riese, 9.4 kpc entfernt, von einem M-Zwerg Binärsystem mit einer Gesamtmasse von M=0.51 Sonnenmassen in einer Entfernung von 2.9 kpc gelinst wird. Darüberhinaus wird ein Verfahren vorgestellt mit dem man die Abwesenheit planetarer Lichtkurvensignaturen nutzen kann, um Aussagen über die Häufigkeit extrasolarer Planeten zu treffen.