[论文解读] 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 Matthee+9 more|arXiv (Cornell University)|Feb 23, 2015

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 5

一句话总结

本研究介绍了CF-HiZELS巡天，这是一项利用WIRCam/CFHT的10 deg²近红外窄线宽波段巡天，旨在识别红移z=0.8、1.4和2.2处的Hα、[OIII]+Hβ和[OII]发射线星系。通过结合深度测光与广泛的光谱后续观测（KMOS、FMOS、MOSFIRE），该研究获得了可靠的光度函数，并确立了在体积小于5×10⁵ Mpc³时宇宙方差主导误差，因此需要大范围巡天才能使L*和φ*的不确定性低于10%。

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.

研究动机与目标

• 利用大范围连续发射线巡天，测量z=0.8、1.4和2.2处Hα、[OIII]+Hβ和[OII]的光度函数。
• 评估宇宙方差对高红移发射线星系巡天中光度函数测量的影响。
• 提供经过光谱确认的可靠发射线星系样本，以增进对恒星形成历史和星系演化的理解。
• 量化为将L*和φ*的宇宙方差误差控制在10%以内所需的最小巡天体积。
• 通过建立对样本方差和发射线星密度的经验约束，为未来如Euclid的广域巡天提供参考。

提出的方法

• 使用WIRCam/CFHT上的lowOH2滤光片（中心波长1.187±0.005 μm）在Hα、[OIII]+Hβ和[OII]发射线中心进行10 deg²的窄带巡天。
• 结合深度ugrizJK测光，为约6,000个发射线候选体推导出可靠的光谱红移。
• 利用KMOS、FMOS和MOSFIRE进行广泛的光谱后续观测，以确认红移并识别发射线星系。
• 基于光谱确认的样本，推导出z=0.8、1.4和2.2处Hα、[OIII]+Hβ和[OII]的光度函数。
• 将大范围巡天体积划分为随机组合的区域，以经验方式测量样本方差和宇宙方差。
• 利用所得的方差测量结果，确定实现L*和φ*误差低于10%所需的最小体积。

实验结果

研究问题

• RQ1 在大范围连续巡天体积中，z=0.8、1.4和2.2处Hα、[OIII]+Hβ和[OII]的光度函数为何值？
• RQ2 在不同体积的高红移发射线星系巡天中，宇宙方差对光度函数测量的影响有多大？
• RQ3 为将L*和φ*的宇宙方差误差控制在10%以内，发射线星系巡天所需的最小共动体积是多少？
• RQ4 在近红外波段λ≈1.2 μm处，Hα、[OIII]+Hβ和[OII]发射线星系的数密度如何比较？
• RQ5 如z=0.81处的8.5σ Hα结构等发射线星系高密度区，对光度函数测量的影响有多大？

主要发现

• 巡天共识别出3,471个z=0.8处的Hα发射体、1,343个z=1.4处的[OIII]+Hβ发射体和572个z=2.2处的[OII]发射体，共动体积超过10⁶ Mpc³。
• 在z=0.81处确认了一个显著的8.5σ Hα发射体高密度区，其数密度约为平均值的10倍，表明存在一个富集的丝状结构。
• 在z≈0.8处，Hα发射体的原始观测数密度（通量>3×10⁻¹⁶ erg s⁻¹）为8.66×10⁻⁵ Mpc⁻³，而[OIII]+Hβ和[OII]发射体的数密度分别低5倍和30倍。
• 宇宙方差主导了光度函数测量的误差，在探测约10⁴ Mpc³体积时，L*和φ*的误差超过300%，在约10⁵ Mpc³体积时误差为40–60%。
• 本研究确立了，为使L*和φ*的误差低于10%，巡天必须探测体积大于5×10⁵ Mpc³，否则宇宙方差将使L*无法准确测量。
• 对于计划中的Euclid广域巡天，预计约70–80%在λ≈1.2 μm处的发射线星体为Hα发射体，其余部分由[OIII]+Hβ和[OII]发射体组成。