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Galaxy evolution in the fors deep field [Elektronische Ressource] / submitted by Armin Gabasch

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Galaxy Evolution in the Fors Deep FieldArmin GabaschGALAXY EVOLUTION IN THE FORS DEEPFIELDPh.D. Thesisat the Faculty of Physicsof theLudwig-Maximilian University Munichsubmitted byArmin GabaschMunich, October 20041. Evaluator: Prof. Dr. Ralf Bender2. Ev Dr. Peter Schuck¨ erDate of the oral exam: 22 December 2004Es irrt der Mensch, solang’ er strebt– Johann Wolfgang von Goetheto my parents, brother and sister –for their endless supportContentsList of Figures xiiiList of Tables xviZusammenfassung xviii1 Introduction 11.1 The early Universe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.1.1 Basic concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2 Structure formation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.2.1 The cosmic microwave background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3Matter-radiation equality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3Photon decoupling and recombination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4Analyzing the cosmic microwave background . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.2.2 The dark age . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.2.3 Reionization and the first stars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6Formation of the first stars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6Reionizing the IGM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81.

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Published 01 January 2004
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Language English
Document size 5 MB

Galaxy Evolution in the Fors Deep Field
Armin GabaschGALAXY EVOLUTION IN THE FORS DEEP
FIELD
Ph.D. Thesis
at the Faculty of Physics
of the
Ludwig-Maximilian University Munich
submitted by
Armin Gabasch
Munich, October 20041. Evaluator: Prof. Dr. Ralf Bender
2. Ev Dr. Peter Schuck¨ er
Date of the oral exam: 22 December 2004Es irrt der Mensch, solang’ er strebt
– Johann Wolfgang von Goethe
to my parents, brother and sister –
for their endless supportContents
List of Figures xiii
List of Tables xvi
Zusammenfassung xviii
1 Introduction 1
1.1 The early Universe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.1 Basic concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Structure formation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2.1 The cosmic microwave background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
Matter-radiation equality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
Photon decoupling and recombination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
Analyzing the cosmic microwave background . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2.2 The dark age . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2.3 Reionization and the first stars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
Formation of the first stars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
Reionizing the IGM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.3 Galaxy evolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.3.1 Theoretical framework for galaxy evolutions . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
Monolithic collapse model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
Hierarchical clustering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.3.2 Observational evidence for galaxy evolutions . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
Surveys and their distance determinations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
Restframe galaxy luminosity function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
Star formation rate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
Clustering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.4 Outline of the thesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2 The FORS Deep Field 17
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.2 Field selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.3 Observations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.4 Optical data reduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.4.1 Basic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21viii CONTENTS
2.4.2 Image stacking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.4.3 Calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.5 NIR data reduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.6 Basic properties of the co-added images . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.7 Source detection and photometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.8 Photometric catalog . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.8.1 Compilation of the photometric catalog . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.8.2 Contents of the catalog . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.9 Galaxy number counts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.10 z- and 835nm-band . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3 The evolution of the luminosity functions: I. The blue bands 39
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.2 The FORS Deep Field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.3 I selection versus K selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.4 Photometric redshifts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.5 Luminosity functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.5.1 The method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.5.2 The slope of the luminosity function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.5.3 The restframe functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.6 Parameterizing the evolution of the luminosity function . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.7 Comparison with literature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.8 with model predictions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.9 Summary and conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.10 Appendix of Chapter 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.10.1 Schechter parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.10.2 Comparison with literature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
UV bands . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
0:1 0:1SDSS bands (u’, g’, u, g) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
B-band . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.10.3 Confidence levels for the slope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4 The evolution of the luminosity functions: II. The red bands 75
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.2 Luminosity functions in the r’, i’, and z’ bands . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.2.1 The slope of the luminosity function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.2.2 The redshift evolution of the luminosity functions . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.3 Parameterizing the ev of the function . . . . . . . . . . . . . . . . 81
4.4 Comparison with literature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.5 with model predictions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
5 LF redshift evolution as a function of SED type 93
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
5.2 Galaxy classification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
5.3 Type-dependent luminosity function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95CONTENTS ix
5.4 Appendix of Chapter 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
6 The SFR history in the FORS Deep and GOODS South Fields 111
6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
6.2 Data sets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
6.3 The Star Formation Rate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
6.4 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
7 Evolution of the stellar mass density and dust correction 119
7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
7.2 The stellar mass density from the SFR up to z 4:5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
7.3 Tight constraint to the mean dust correction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
8 Summary and concluding synthesis 123
8.1 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
8.2 Concluding synthesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126x CONTENTS