[논문 리뷰] The Zwicky Transient Facility Bright Transient Survey I: Spectroscopic Classification and the Redshift Completeness of Local Galaxy Catalogs

C. Fremling, Adam A. Miller외 38명|arXiv (Cornell University)|2019. 10. 28.

Astronomy and Astrophysical Research인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 Zwicky Transient Facility Bright Transient Survey (BTS)에서 761개의 은하간 잠재체를 대규모로, 유속 제한이 있는 스펙트로스코픽으로 분류하며, Type Ia 초신성의 주변 은하에 대해 적색편이 완전성 비율(RCF)이 44%±1%에 도달한다. 이는 거리 증가에 따라 RCF가 점진적으로 감소함을 보여주며, z ≤ 0.05에서 약 60% 수준으로 떨어진다. 또한 적색편이와 적외선 빛의 강도를 바탕으로 MCMC 추론를 사용한 로지스틱 회귀 모델을 통해 적색편이 가용성의 조건부 확률을 모델링한다.

ABSTRACT

The Zwicky Transient Facility (ZTF) is performing a three-day cadence survey of the visible Northern sky (~3$π$). The transient candidates found in this survey are announced via public alerts. As a supplementary product ZTF is also conducting a large spectroscopic campaign: the ZTF Bright Transient Survey (BTS). The goal of the BTS is to spectroscopically classify all extragalactic transients brighter than 18.5 mag at peak brightness and immediately announce those classifications to the public. Extragalactic discoveries from ZTF are predominantly Supernovae (SNe). The BTS is the largest flux-limited SN survey to date. Here we present a catalog of the761 SNe that were classified during the first nine months of the survey (2018 Apr. 1 to 2018 Dec. 31). The BTS SN catalog contains redshifts based on SN template matching and spectroscopic host galaxy redshifts when available. Based on this data we perform an analysis of the redshift completeness of local galaxy catalogs, dubbed as the Redshift Completeness Fraction (RCF; the number of SN host galaxies with known spectroscopic redshift prior to SN discovery divided by the total number of SN hosts). In total, we identify the host galaxies of 512 Type Ia supernovae, 227 of which have known spectroscopic redshifts, yielding an RCF estimate of $44\% \pm1\%$. We find a steady decrease in the RCF with increasing distance in the local universe. For z<0.05, or ~200 Mpc, we find RCF=0.6, which has important ramifications when searching for multimessenger astronomical events. Prospects for dramatically increasing the RCF are limited to new multi-fiber spectroscopic instruments, or wide-field narrowband surveys. We find that existing galaxy redshift catalogs are only $50\%$ complete at $r\approx16.9$ mag. Pushing this limit several magnitudes deeper will pay huge dividends when searching for electromagnetic counterparts to gravitational wave events.

연구 동기 및 목표

• ZTF 운영의 첫 9개월 동안 gZTF 또는 rZTF 필터에서 18.5 mag 이하의 밝기로 나타나는 은하간 잠재체를 스펙트로스코픽으로 분류하는 것.
• Type Ia 초신성의 주변 은하에 대해 사전에 확보된 스펙트로스코픽 적색편이가 있는 은하의 비율을 측정함으로써 지역 은하 카탈로그의 적색편이 완전성 비율(RCF)을 측정하는 것.
• 특히 지역 우주(z ≤ 0.05)에서 RCF가 적색편이와 주변 은하의 빛의 강도에 따라 어떻게 변하는지 평가하는 것.
• 적색편이와 절대 등급을 기반으로 로지스틱 함수를 사용하여 카탈로그에 적색편이가 기록된 은하의 조건부 확률을 모델링하고, MCMC 샘플링을 통해 모델 파라미터를 추론하는 것.
• 미래의 다중메시저 및 잠재체 연구를 위해 공개된, 접근 가능한 카탈로그를 제공하는 것.

제안 방법

• BTS는 ZTF 잠재체 경고를 대상으로 대규모 스펙트로스코픽 캠페인을 수행하며, 피크 밝기에서 gZTF 또는 rZTF 필터에서 18.5 mag 이하인 은하간 잠재체를 대상으로 한다.
• 템플릿 매칭과 가능할 경우 주변 은하의 적색편이를 사용하여 스펙트로스코픽 분류를 수행하여 총 761개의 분류된 초신성 카탈로그를 확보한다.
• 적색편이 완전성 비율(RCF)은 사전에 알려진 스펙트로스코픽 적색편이를 가진 초신성 주변 은하의 수를 총 초신성 주변 은하의 수로 나누어 계산한다.
• 조건부 확률을 추정하기 위해 로지스틱 회귀 모델을 사용한다: p(z,M,θ) = 1 / (1 + exp(az + bM - c)), 여기서 z는 적색편이, M는 절대 등급이며, θ = (a,b,c)는 모델 파라미터이다.
• 확대된 평탄한 사전 분포와 자동상관 길이 기반 수렴 기준을 사용하여, 애니지드-인variant 샘플링을 사용한 마르코프 체인 몬테카를로(MCMC) 방법을 통해 모델 파라미터 a, b, c의 사후 분포를 추론한다.
• 모델은 별도로 적색편이와 빛의 강도에 따른 RCF 의존성을 분석하여 검증되며, 그 결과는 그림 8의 측면 패널에 중앙값 확률과 90% 신뢰구간으로 시각화된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 지역 우주에서 Type Ia 초신성 주변 은하에 대해 지역 은하 카탈로그의 적색편이 완전성 비율(RCF)은 얼마인가요?
• RQ2 지역 우주에서 거리 증가(적색편이 증가)에 따라 RCF는 어떻게 변화합니까?
• RQ3 W1 대역에서의 절대 등급으로 측정된 주변 은하의 빛의 강도에 따라 적색편이 가용성은 어떻게 달라지나요?
• RQ4 로지스틱 회귀 모델은 적색편이와 빛의 강도를 기반으로 카탈로그에 적색편이가 기록된 은하의 조건부 확률을 효과적으로 포괄할 수 있나요?
• RQ5 저 RCF는 중력파 또는 고에너지 잠재체 사건의 주변 은하 식별에 있어 다중메시저 천문학에 어떤 영향을 미치나요?

주요 결과

• BTS 카탈로그에는 ZTF 운영 9개월 동안 관측된 761개의 스펙트로스코픽으로 분류된 은하간 잠재체가 포함되어 있으며, 대부분은 Type Ia 초신성이다.
• Type Ia 초신성 주변 은하에 대한 적색편이 완전성 비율(RCF)은 44%±1% (90% 신뢰구간)이며, 이는 512개의 주변 은하 중 227개가 사전에 알려진 스펙트로스코픽 적색편이를 가졌다는 사실에 기반한다.
• RCF는 적색편이 증가에 따라 점진적으로 감소하며, z ≤ 0.05에서 약 60% 수준으로 감소한다 (약 200 Mpc에 해당).
• 적색편이와 절대 등급을 기반으로 한 로지스틱 함수가 적색편이 가용성의 조건부 확률을 가장 잘 모델링하며, 빛의 강도 계수와 적색편이 계수 간에 강한 사후 공분산이 관찰된다.
• 모델은 고적색편이와 낮은 빛의 강도를 가진 은하에서 RCF가 상당히 낮음을 보여주며, 이는 현재 카탈로그가 먼 거리에 위치하거나 빛의 강도가 낮은 시스템에 대해 불완전하다는 것을 시사한다.
• 본 연구는 RCF를 크게 향상시키기 위해서는 지역 우주에서 약 1,000만 개의 은하를 카탈로그화할 수 있는 새로운 광역 다섬광 스펙트로스코픽 설문 조사가 필요하다고 결론내린다.