[論文レビュー] COSMOS morphological classification with ZEST (the Zurich Estimator of Structural Types) and the evolution since z=1 of the Luminosity Function of early-, disk-, and irregular galaxies

Claudia Scarlata, C. M. Carollo+27 more|arXiv (Cornell University)|Nov 20, 2006

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ひとこと要約

本稿では、非パラメトリックな診断（非対称性、集中度、ジニ係数、M20、楕円度）とセリクスフィットを用いた機械学習ベースの形態分類システムZESTを紹介する。56,000個のCOSMOS銀河を、初期型、ディスク型、不規則型に分類する。主成分分析を用いて冗長性を低減することで、ZESTは堅牢で自動化された分類を可能にし、赤方偏移z~0.7における初期型銀河のLuminosity関数に約2倍の欠損と、不規則型に約3倍の過剰が見られることを明らかにした。これは、純粋な明るさの進化が約0.95 magであるダウンサイズ進化のシナリオを支持する。

ABSTRACT

(ABRIDGED) Motivated by the desire to reliably and automatically classify structure of thousands of COSMOS galaxies, we present ZEST, the Zurich Estimator of Structural Types. To classify galaxy structure, ZEST uses: (i) Five non-parametric diagnostics: asymmetry, concentration, Gini coefficient, 2nd-order moment of the brightest 20% of galaxy pixels, and ellipticity; and (ii) The exponent n of single--Sersic fits to the 2D surface brightness distributions. To fully exploit the wealth of information while reducing the redundancy present in these diagnostics, ZEST performs a principal component (PC) Analysis. We use a sample of ~56,000 I<24 COSMOS galaxies to show that the first three PCs fully describe the key aspects of the galaxy structure, i.e., to calibrate a three-dimensional classification grid of axis PC_1, PC_2, and PC_3. We demonstrate the robustness of the ZEST grid on the z=0 sample of Frei et al. (1996). The ZEST classification breaks most of the degeneracy between different galaxy populations that affects morphological classifications based on only some of the diagnostics included in ZEST. As a first application, we present the evolution since z~1 of the Luminosity Functions of COSMOS galaxies of early, disk and irregular galaxies and, for disk galaxies, of different bulge-to-disk ratios. Overall, we find that the LF up to a redshift z=1 is consistent with a pure-luminosity evolution (of about 0.95 magnitudes at z \~0.7). We highlight however two trends, that are in general agreement with a down-sizing scenario for galaxy formation: (1.) A deficit of a factor of about two at z~0.7 of MB>-20.5 structurally--classified early--type galaxies; and (2.) An excess of a factor of about three, at a similar redshift, of irregular galaxies.

研究の動機と目的

• COSMOS調査に含まれる56,000個の銀河の形態を自動的かつ堅牢に、スケーラブルに分類する手法を開発すること。
• 非パラメトリックな構造的診断（非対称性、集中度、ジニ係数、M20、楕円度、セリクス指数）の間の冗長性を主成分分析（PCA）を用いて低減すること。
• 主要構造的性質を顕著に捉えつつ顕著な情報損失を伴わない3次元のZEST分類グリッド（PC1, PC2, PC3）をキャリブレーションすること。
• ZEST分類を適用し、赤方偏移z=1からz=0までの初期型、ディスク型、不規則型銀河のLuminosity関数（LF）の進化を測定すること。
• 観測されたLFの進化が純粋な明るさの進化と整合するか、あるいは銀河形成におけるダウンサイズを示唆するかを検証すること。

提案手法

• ZESTは、非対称性（A）、集中度（C）、ジニ係数（G）、明るい20%のピクセルの2階モーメント（M20）、楕円度（ε）の5つの非パラメトリック構造的診断を組み合わせる。
• ZESTは、2次元表面輝度プロファイルのフィットから得られるセリクス指数（n）を組み込み、構造的タイプの情報を捉える。
• 主成分分析（PCA）を、組み合わせた診断に適用し、主成分（PC1, PC2, PC3）を抽出することで、大部分の分散を説明し、ZEST分類グリッドを定義する。
• ZESTグリッドは、z=0のFreiら（1996）のサンプルを用いて妥当性を検証し、既存の形態分類と一貫性があることを確認する。
• 赤方偏移のビン（0.2 < z ≤ 1）ごとに、初期型、ディスク型、不規則型銀河のLuminosity関数（LF）をAB等級の上限（IAB ≤ 24）を用いて測定する。
• 進化傾向は、COSMOSのLFをローカルのSDSSのLFと比較することで定量化され、k補正とシェヘクター関数フィットを用いて補正が施される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ZESTのような多診断・PCAベースの手法は、銀河形態分類における不確実性を低減し、大規模銀河サンプルの堅牢で自動化された分類を可能にするか？
• RQ2 初期型、ディスク型、不規則型銀河のLuminosity関数は、z=1からz=0にかけてどのように進化するか。また、これは純粋な明るさの進化と整合するか？
• RQ3 観測された銀河構造的タイプの進化は、銀河形成と進化におけるダウンサイズシナリオを支持するか？
• RQ4 ジニ係数、M20、集中度といった構造的診断は、形態的タイプとどの程度相関しているか。PCAはそれらの寄与をどのように分離するか？
• RQ5 光度赤方偏移とk補正の不確実性は、深宇宙調査における進化するLuminosity関数の測定に、どの程度の影響を及ぼすか？

主な発見

• ZEST診断の最初の3つの主成分（PC1, PC2, PC3）は、情報損失を最小限に抑えつつ、COSMOS銀河の構造的多様性を完全に記述でき、安定な3次元分類グリッドを可能にする。
• ZESTは、z=0のFreiら（1996）のサンプルを成功裏に分類することで、堅牢性を示し、既存の形態的タイプと一貫性があることを確認した。
• すべての銀河タイプのLuminosity関数の明るい端は、z~0.7からz=0にかけて約0.95マグニチュード進化しており、これは純粋な明るさの進化と整合する。
• z~0.7において、初期型銀河はM_B > -20.5のマグニチュード範囲で、ローカル宇宙と比較して約2倍の欠損を示しており、これは高質量初期型銀河集団の減少を示唆する。
• z~0.7における不規則型銀河は、ローカルの期待値と比較して約3倍の過剰を示しており、これは高赤方偏移で星形成が活発であるか、構造的進化が顕著である可能性を示唆する。
• ZEST分類とLF解析の組み合わせは、マスの大きな初期型銀河がより早く形成され、ディスク型や不規則型と比較してより速く進化するというダウンサイズシナリオを支持する。