[논문 리뷰] CF-HiZELS, a 10 deg$^2$ emission-line survey with spectroscopic follow-up: Hα, [OIII]+Hβ and [OII] luminosity functions at z=0.8, 1.4 and 2.2

David Sobral, Jorryt Matthee외 9명|arXiv (Cornell University)|2015. 02. 23.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 WIRCam/CFHT를 사용하여 Hα, [OIII]+Hβ, [OII] 복사선을 갖는 은하들을 z=0.8, 1.4, 2.2에서 식별하기 위한 10 deg²의 near-infrared 협대역 설문 조사인 CF-HiZELS 설문 조사를 제시한다. 깊은 광도 측정과 광범위한 분광학적 후속 관측(KMOS, FMOS, MOSFIRE)을 결합하여, 신뢰할 수 있는 광도 함수를 유도하고, 5×10⁵ Mpc³ 이하의 부피에서는 천체역학적 변동성이 오차를 지배함을 확인하며, L*과 φ*의 오차를 10% 이내로 줄이기 위해 대규모 설문 조사가 필요하다는 것을 밝힌다.

ABSTRACT

We present results from the largest contiguous narrow-band survey in the near-infrared. We have used WIRCam/CFHT and the lowOH2 filter (1.187$\pm$0.005 $μ$m) to survey ~10 deg$^2$ of contiguous extragalactic sky in the SA22 field. A total of ~6000 candidate emission-line galaxies are found. We use deep ugrizJK data to obtain robust photometric redshifts. We combine our data with the High-redshift Emission Line Survey (HiZELS), explore spectroscopic surveys (VVDS, VIPERS) and obtain our own spectroscopic follow-up with KMOS, FMOS and MOSFIRE to derive large samples of high-redshift emission-line selected galaxies: 3471 H$α$ emitters at z=0.8, 1343 [OIII]+H$β$ emitters at z=1.4 and 572 [OII] emitters at z=2.2. We probe co-moving volumes of >10$^6$ Mpc$^3$ and find significant over-densities, including an 8.5$σ$ (spectroscopically confirmed) over-density of H$α$ emitters at z=0.81. We derive H$α$, [OIII]+H$β$ and [OII] luminosity functions at z=0.8,1.4,2.2, respectively, and present implications for future surveys such as Euclid. Our uniquely large volumes/areas allow us to sub-divide the samples in thousands of randomised combinations of areas and provide a robust empirical measurement of sample/cosmic variance. We show that surveys for star-forming/emission-line galaxies at a depth similar to ours can only overcome cosmic-variance (errors <10%) if they are based on volumes >5x10$^{5}$ Mpc$^{3}$; errors on $L^*$ and $ϕ^*$ due to sample (cosmic) variance on surveys probing ~10$^4$ Mpc$^{3}$ and ~10$^5$ Mpc$^{3}$ are typically very high: ~300% and ~40-60%, respectively.

연구 동기 및 목표

• 큰 연속된 복사선 설문 조사로 Hα, [OIII]+Hβ, [OII] 광도 함수를 z=0.8, 1.4, 2.2에서 측정하기.
• 고적색도 복사선 설문 조사에서 광도 함수 측정에 대한 천체역학적 변동의 영향 평가하기.
• 은하 형성 역사와 은하 진화에 대한 이해를 향상시키기 위해 신뢰할 수 있는 분광학적으로 확인된 복사선 은하 샘플 제공하기.
• L*과 φ*에 대한 천체역학적 변동으로 인한 10% 미만 오차를 달성하기 위한 최소 설문 조사 부피 정량화하기.
• Euclid와 같은 향후 광역 설문 조사를 위해 표본 변동성과 복사선 발광체 밀도에 대한 실증적 제약 조건 설정하기.

제안 방법

• WIRCam/CFHT의 lowOH2 필터(1.187±0.005 μm)를 사용하여 Hα, [OIII]+Hβ, [OII] 복사선에 중심을 둔 10 deg² 협대역 설문 조사 수행하기.
• 약 6,000개의 복사선 후보자에 대해 신뢰할 수 있는 광도 적색편이를 유도하기 위해 깊은 ugrizJK 광도 측정과 융합하기.
• KMOS, FMOS, MOSFIRE를 사용하여 분광학적 후속 관측을 광범위하게 수행하여 적색편이를 확인하고 복사선 발광체를 식별하기.
• 분광학적으로 확인된 샘플을 사용하여 z=0.8, 1.4, 2.2에서 Hα, [OIII]+Hβ, [OII]의 광도 함수 유도하기.
• 큰 설문 조사 부피를 무작위로 나누어 표본 및 천체역학적 변동성 실측하기.
• 유도된 변동성 측정치를 사용하여 L*과 φ*에 대한 오차가 10% 미만이 되기 위한 최소 부피 결정하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 큰 연속된 설문 조사 부피에서 z=0.8, 1.4, 2.2에서 Hα, [OIII]+Hβ, [OII]의 광도 함수는 어떻게 되는가?
• RQ2 다양한 부피를 가진 고적색도 복사선 설문 조사에서 광도 함수 측정에 대한 천체역학적 변동은 얼마나 중요한가?
• RQ3 복사선 은하 설문 조사에서 L*과 φ*에 대한 천체역학적 변동을 10% 미만으로 줄이기 위한 최소 공변 부피는 얼마인가?
• RQ4 근적외선에서 λ≈1.2 μm에서 Hα, [OIII]+Hβ, [OII] 발광체의 밀도는 어떻게 비교되는가?
• RQ5 예를 들어 z=0.81에서 8.5σ의 과밀도 Hα 구조가 존재할 경우, 광도 함수 측정에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 설문 조사에서는 z=0.8에서 3,471개의 Hα 발광체, z=1.4에서 1,343개의 [OIII]+Hβ 발광체, z=2.2에서 572개의 [OII] 발광체를 식별하였으며, 공변 부피는 10⁶ Mpc³를 초과한다.
• z=0.81에서 8.5σ의 과밀도 Hα 발광체가 확인되었으며, 평균보다 약 10배 높은 밀도를 보여, 풍부한 필라멘터리 구조임을 시사한다.
• z≈0.8에서 통신량 >3×10⁻¹⁶ erg s⁻¹인 Hα 발광체의 원시 관측 밀도는 8.66×10⁻⁵ Mpc⁻³이며, [OIII]+Hβ와 [OII] 발광체는 각각 5배와 30배 낮은 밀도를 가진다.
• 광도 함수 측정의 오차에서 천체역학적 변동성이 지배적이며, 약 10⁴ Mpc³의 설문 조사에서는 L*과 φ*의 오차가 300%를 초과하고, 약 10⁵ Mpc³의 설문 조사에서는 40–60%의 오차를 보인다.
• 이 연구는 L*과 φ*에 대한 오차를 10% 이내로 줄이기 위해 설문 조사 부피가 5×10⁵ Mpc³를 초과해야 하며, 그렇지 않으면 천체역학적 변동성이 L* 측정을 불가능하게 한다는 것을 규명하였다.
• 계획 중인 Euclid 광역 설문 조사에서는 약 70–80%의 복사선 발광체가 Hα 발광체로 예상되며, 나머지 부분은 [OIII]+Hβ와 [OII] 발광체로 구성될 것이다.