Searching for distant galaxy clusters [Elektronische Ressource] : optical observations, cluster search algorithms and the cluster selection function / presented by Siegfried Falter

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Dissertationsubmitted to theCombined Faculties for the Natural Sciences and for Mathematicsof the Ruperto-Carola University of Heidelberg, Germanyfor the degree ofDoctor of Natural Sciencespresented byDipl.-Phys. Siegfried Falterborn in: AmbergOral examination: July 26, 2006Searching for Distant Galaxy Clusters:Optical Observations, Cluster Search Algorithmsand the Cluster Selection Function.Referees: PD Dr. Hermann-Josef R¨oserProf. Dr. Matthias BartelmannAbstractHIROCS is a multi-color survey designed to construct a statistically significant galaxy clustersampleforgalaxyevolutionstudiesusingamulti-colorclassificationschemeintheredshiftrange0.5

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Published 01 January 2006
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Dissertation
submitted to the
Combined Faculties for the Natural Sciences and for Mathematics
of the Ruperto-Carola University of Heidelberg, Germany
for the degree of
Doctor of Natural Sciences
presented by
Dipl.-Phys. Siegfried Falter
born in: Amberg
Oral examination: July 26, 2006Searching for Distant Galaxy Clusters:
Optical Observations, Cluster Search Algorithms
and the Cluster Selection Function.
Referees: PD Dr. Hermann-Josef R¨oser
Prof. Dr. Matthias BartelmannAbstract
HIROCS is a multi-color survey designed to construct a statistically significant galaxy cluster
sampleforgalaxyevolutionstudiesusingamulti-colorclassificationschemeintheredshiftrange
0.5<z<1.5. After contributing to the survey specifications, tests of the multi-color classifica-
tion with the observational setup showed the feasibility of the project. The photometric redshift
accuracy of δ =0.076 was estimated at the R band limit of ∼25mag. The new algorithmz
for the galaxy cluster detection was developed and tested with COMBO-17 data. In the three
COMBO-17 fields covering 0.78 square degrees 15 cluster candidates were identified in the red-
shift range 0.3<z<0.9. The power of the search method was demonstrated by a comparison
with the cluster detections from the Voronoi tessellation. For the determination of the cluster
selection function in HIROCS and COMBO-17 procedures to simulate galaxy clusters were in-
troduced. DuetothelackoffullyreducedHIROCSdata,theCOMBO-17selectionfunctionwas
quantified; rich clusters are expected to be found in the redshift range covered by COMBO-17.
First steps towards an analysis of cluster candidates were carried out using the COMBO-17
candidates. Finally, a rich cluster at redshift ∼0.7 was identified in the first HIROCS infrared
data.
Zusammenfassung
HIROCSisteineMehrfarbendurchmusterung,umeinenstatistischsignifikantenGalaxienhaufen-
katalog bei Rotverschiebungen zwischen 0.5 und 1.5 fu¨r Studien der Galaxienentwicklung zur
Verfugu¨ ng zu stellen. Photometrische Rotverschiebungen werden durch eine Mehrfarbenklas-
sifikation bestimmt. Zu Beginn wurden Teile der Beobachtungsspezifikationen durchgefu¨hrt.
Tests der Mehrfarbenklassifikation unter den Spezifikationen der Beobachtungen zeigten die
Machbarkeit des Projekts. Die Genauigkeit der Rotverschiebungen bei der Grenzhelligkeit im
R-Filter von ∼25mag wurde mit δ =0.076 abgesch¨atzt. Es wurde eine neue Suchmethode fur¨z
GalaxienhaufenvorgestelltundmitDatenderCOMBO-17-Durchmusterunggetestet. Indendrei
Feldern,die0.78Quadratgradabdecken,wurden15GalaxienhaufenimRotverschiebungsbereich
0.3<z<0.9 identifiziert. Anhand einer Vergleichsstudie mit der sogenannten ”Voronoi tessella-
tion”wurdedieLeistungderneuenMethodedemonstriert. DieMethodikenzurBestimmungder
Auswahlfunktion von Galaxienhaufen wurden fu¨r HIROCS und COMBO-17 vorgestellt. Auf-
grund des Fehlens eines vollst¨andig reduzierten HIROCS-Datensatzes konnte die Auswahlfunk-
tion nur fu¨r COMBO-17 erarbeitet werden. Danach k¨onnen alle reichen Galaxienhaufen im von
COMBO-17 abgedeckten Rotverschiebungsbereich gefunden werden. Erste Schritte zur Anal-
yse von Galaxienhaufen wurden anhand der Haufenkandidaten aus COMBO-17 vorgenommen.
Schließlichwurdew¨ahrendderReduktionderInfrarotdatendeserstenHIROCS-Datensatzesein
reicher Galaxienhaufen bei Rotverschiebung 0.7 gefunden.Contents
1 Introduction 1
2 The Heidelberg InfraRed/Optical Cluster Survey 11
2.1 Survey area and filter set . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2 Limiting magnitudes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3 HIROCS − Observations and data 19
3.1 Field selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.1.1 Selection criteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.2 Instrumentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.3 Data reduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.3.1 WFI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.3.2 LAICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.3.3 OMEGA2000 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.4 Object finding and photometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.5 Photometric calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.5.1 Basic strategy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.5.2 Selection of stars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.5.3 Reduction procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.5.4 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.6 Current project status . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4 HIROCS − Methodology 41
4.1 Multi-color object classification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.1.1 Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.1.2 Template color libraries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.1.3 Redshift accuracy in COMBO-17 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.1.4 Accuracy of multi-color classification . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
iii CONTENTS
4.2 Galaxy cluster finding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.2.1 Finding scheme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.2.2 Over-density selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.2.3 Position and redshift estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.2.4 Richness estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
5 Cluster finding − Selection function 61
5.1 HIROCS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
5.1.1 Calculation of magnitudes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
5.1.2 Synthetic clusters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
5.1.3 Classification of clusters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
5.1.4 First tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
5.2 COMBO-17 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
5.2.1 Simulation setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
5.2.2 Selection function for the CDFS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
6 Cluster finding − Results for COMBO-17 83
6.1 Chandra Deep Field South− 17 filter classification . . . . . . . . . . . . . 84
6.2 CDFS− Comparison with 5 filter classification . . . . . . . . . . . . . . . 87
6.3 A901/A902 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
6.4 S11 with 17 filters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
6.5 S11 with 17+2 filters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
7 Cluster finding − Comparison with Voronoi tessellation 97
7.1 Finding scheme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
7.2 Parameter setup. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
7.3 Cluster candidates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
7.4 Inclusion of redshifts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
7.5 Comparison . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
8 Analysis of COMBO-17 structures 109
8.1 Candidate at redshift 0.8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
8.2 Stacked clusters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
8.3 CDFS− Comparison with other work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
8.4 A901/A902− Comparison with weak lensing . . . . . . . . . . . . . . . . . 118CONTENTS iii
9 First HIROCS galaxy cluster candidate 123
9.1 Detection and data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
9.2 Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
9.2.1 Spectroscopic confirmation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
9.2.2 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
10 Summary and outlook 135
A HIROCS field layout 141
B HIROCS spectrophotometric standard stars 147
C Photometric systems 153
D Redshift and velocity 155