[논문 리뷰] 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. Carollo외 27명|arXiv (Cornell University)|2006. 11. 20.

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한 줄 요약

이 논문은 비모수적 진단법(비대칭성, 농도, 지니계수, M20, 타원도)과 세르시 fitting을 사용하여 56,000개의 COSMOS 은하를 초기형, 디스크형, 불규칙형으로 분류하는 기계학습 기반의 형태 분류 시스템인 ZEST을 소개한다. 冗 redundancy를 줄이기 위해 주성분 분석(PCA)을 적용함으로써 ZEST는 강인하고 자동화된 분류를 가능하게 하며, z~0.7에서 초기형의 빛의 함수가 약 2배 부족하고 불규칙형은 약 3배 초과됨을 드러내며 순수 빛의 함수 진화 약 0.95 mag와 함께 작고서서의 진화 시나리오를 지지한다.

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.

연구 동기 및 목표

• COSMOS 조사에 포함된 56,000개의 은하 형태를 자동으로, 강인하고 확장 가능하게 분류하는 방법을 개발하기 위해.
• 주성분 분석(PCA)을 사용하여 비모수적 진단법(비대칭성, 농도, 지니계수, M20, 타원도, 세르시 지수) 간의 중복을 줄이기 위해.
• 주요 구조적 특성을 유의미한 정보 손실 없이 반영하는 3차원 ZEST 분류 격자(PC1, PC2, PC3)를 校정하기 위해.
• ZEST 분류를 적용하여 z=1에서 z=0까지 초기형, 디스크형, 불규칙형 은하의 빛의 함수(LF)의 진화를 측정하기 위해.
• 관측된 LF 진화가 순수 빛의 함수 진화와 일치하는지 또는 은하 형성에서의 작고서서의 진화를 시사하는지 테스트하기 위해.

제안 방법

• ZEST는 다섯 가지 비모수적 구조적 진단법을 조합한다: 비대칭성(A), 농도(C), 지니계수(G), 가장 밝은 20% 픽셀의 두 번째 순서 모멘트(M20), 타원도(ε).
• ZEST는 2차원 표면 빛의 세기 프로파일 피팅을 통해 구한 세르시 지수(n)를 포함하여 구조적 유형 정보를 포괄한다.
• 결합된 진단법에 주성분 분석(PCA)을 적용하여 가장 큰 분산을 설명하는 세 개의 주요 성분(PC1, PC2, PC3)을 추출하고 ZEST 분류 격자를 정의한다.
• ZEST 격자는 z=0의 Frei 등(1996) 샘플을 대상으로 검증되어 강인성과 기존 형태 분류와의 일관성을 확보한다.
• 적색편이 구간(0.2 < z ≤ 1)에서 초기형, 디스크형, 불규칙형 은하에 대해 AB magnitude 한계(IAB ≤ 24)를 사용하여 빛의 함수(LFs)를 측정한다.
• 진화 경향은 k보정과 샤헤크 함수 피팅을 적용하여 COSMOS LFs를 국지적 SDSS LFs와 비교함으로써 정량화된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 ZEST와 같은 다중 진단법 기반의 PCA 접근법은 은하 형태 분류의 다중해석 문제를 줄이고 대규모 은하 샘플에 대한 강인하고 자동화된 분류를 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 z=1에서 z=0까지 초기형, 디스크형, 불규칙형 은하의 빛의 함수는 어떻게 진화하며, 이 진화는 순수 빛의 함수 진화와 일치하는가?
• RQ3 관측된 은하 구조적 유형의 진화는 은하 형성과 진화에서의 작고서서의 진화 시나리오를 지지하는가?
• RQ4 지니계수, M20, 농도와 같은 구조적 진단법이 형태 유형과 얼마나 관련되어 있으며, PCA는 이들의 기여를 어떻게 분리하는가?
• RQ5 광학적 적색편이와 k보정의 불확실성은 깊은 천문 관측에서 진화하는 빛의 함수 측정에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• ZEST 진단법의 첫 세 개의 주성분(PC1, PC2, PC3)은 정보 손실 최소화로 COSMOS 은하의 구조적 다양성을 완전히 기술하며, 안정적인 3차원 분류 격자를 가능하게 한다.
• ZEST는 z=0의 Frei 등(1996) 샘플을 성공적으로 분류하여 기존 형태 분류 유형과의 일관성을 확인함으로써 강인성을 입증한다.
• 모든 은하 유형의 빛의 함수의 밝은 끝부분은 z~0.7에서 z=0으로 약 0.95 magnitudes의 진화를 보이며, 순수 빛의 함수 진화와 일치한다.
• z~0.7에서 초기형 은하의 M_B > -20.5 magnitude 범위에서 약 2배의 부족함을 보이며, 이는 고체 초기형 인구의 감소를 시사한다.
• z~0.7에서 불규칙형 은하의 수는 국지적 기대치보다 약 3배 많으며, 이는 고적색편이에서 증가한 항성 형성 또는 구조적 진화를 시사한다.
• ZEST 분류와 LF 분석의 조합은 거대 초기형 은하가 더 일찍 형성되고 더 빠르게 진화하며, 디스크형 및 불규칙형 시스템보다 더 빠르게 진화하는 작고서서의 진화 시나리오를 지지한다.