Galaxy Evolution in the Fors Deep Field

In dieser Dissertation wird die Entwicklung von Galaxien innerhalb eines sehr großen Zeitraums (90% des Alters des Universums) anhand sehr tief belichteter Aufnahmen des sogenannten FORS Deep Field (FDF) untersucht. Homogenität und Größe des Datensatzes erlauben eine gründliche Analyse der Galaxienentwicklung, ohne großen systematischen Effekten zu unterliegen. Nachdem in Kapitel 1 ein Überblick der Kosmologie sowie der Strukturbildung und der bis dato beobachteten Entwicklungen von Galaxien gegeben wurde, werden in Kapitel 2 die Eigenschaften des FDFs diskutiert. Dabei wird der Objekt-Katalog, der über 8000 Galaxien und photometrische Informationen in 9 Filtern enthält, vorgestellt. In Kapitel 3 werden mögliche Auswahleffekte aufgrund des im I-Band (8000 Angström) selektierten Kataloges diskutiert und die Güte der Entfernungsbestimmung, welche auf photometrischen Rotverschiebungen basiert, beschrieben. Basierend auf diesen photometrischen Rotverschiebungen wird in Kapitel 3 und Kapitel 4 die Entwicklung der Anzahldichte von Galaxien pro Magnitude und Volumen, also der Leuchtkraftfunktion (LF), in Abhängigkeit der Rotverschiebung analysiert. Die LF der Galaxien entwickelt sich im UV viel stärker als im sichtbaren bzw. nah-infraroten Licht. Ein Vergleich mit der lokalen LF ergibt, daß die Galaxienpopulation im frühen Universum im Mittel im UV viel heller (Faktor 10), die Gesamtanzahl dagegen wesentlich niedriger (Faktor 10) gewesen ist. Im optischen bleibt dieser Trend nachweisbar. Ein Vergleich mit LF-Ergebnissen von anderen Himmelsdurchmusterungen zeigt eine sehr gute Übereinstimmung mit deren Ergebnissen. Aufgrund der tiefen Belichtung des FDFs ist es zudem möglich, auch noch sehr schwache Galaxien in die Analyse mit einzubeziehen und dadurch die Steigung der Leuchtkraftfunktion, d.h. das Verhältnis von schwachen zu hellen Galaxien, deutlich besser zu bestimmen. Ein Vergleich mit Vorhersagen theoretischer Galaxienentwicklungs-Modelle zeigt eine gute Übereinstimmung bei kleiner Rotverschiebung. Mit zunehmender Entfernung nehmen jedoch die Unterschiede zu. Um die Beiträge von einzelnen Galaxienpopulationen zur LF zu untersuchen, wird der Objekt-Katalog in Kapitel 5 in vier typische Populationen aufgeteilt: von frühen Typen mit praktisch keiner Sternentstehung bis hin zu Typen mit extremer Sternbildung. Die jeweilige LF wird in den verschiedenen Rotverschiebungsbereichen mit der Gesamt-LF verglichen. Der unterschiedliche Beitrag dieser Subpopulationen zur Gesamt-LF in den verschiedenen Filtern und bei verschiedenen Rotverschiebungen erklärt auf natürliche Weise die Änderung der Steigung der LF als Funktion der Wellenlänge. In Kapitel 6 wird die Entwicklung der Sternentstehungsrate, d.h. wieviel stellare Masse pro Jahr und Volumen bei welcher Rotverschiebung gebildet wird, untersucht. Dazu wird jeweils ein FDF B, I, (I+B) und GOODS (Great Observatories Origins Deep Survey) K selektierter Galaxien-Katalog analysiert. Es wird gezeigt, daß die Sternentstehungsrate bis ca. z=1.5 ansteigt, um dann bis ca. z=4 konstant zu bleiben. Bei noch höherer Rotverschiebung scheint sie wieder abzunehmen. Dieser Trend ist weitgehend unabhängig vom Selektionsband. Aus der Sternentstehungsrate wird in Kapitel 7 die Entwicklung der stellaren Massendichte als Funktion der Rotverschiebung berechnet. Unter der Annahme, daß die mittlere Staubkorrektur im UV weitgehend unabhängig von der Rotverschiebung ist, steigt die stellare Masse zw. z=4 und z=0.5 um einen Faktor 10 an. Ein Vergleich mit der Massendichte in der Literatur ermöglicht es uns außerdem eine mittlere Staubkorrektur von 2.5 plusminus 0.2 für den UV-Fluß abzuleiten. In Kapitel 8 werden die Ergebnisse nochmals zusammengefasst. Ein Vergleich mit Vorhersagen theoretischer Galaxienentwicklungs-Modelle basierend auf monolithischen Kollaps und hierarchischer Struckturbildung zeigt zudem, daß letztere meist besser mit integralen Beobachtungsgrößen wie der Leuchtkraftdichte übereinstimmen. Es gibt jedoch bei allen Modellen Probleme bei manchen detaillierten Vorhersagen wie zum Beispiel bei der Entwicklung der LF

Specific star formation rates to redshift 5 from the FORS Deep Field and the GOODS-S Field

We explore the build-up of stellar mass in galaxies over a wide redshift range 0.4 < z < 5.0 by studying the evolution of the specific star formation rate (SSFR), defined as the star formation rate per unit stellar mass, as a function of stellar mass and age. Our work is based on a combined sample of ~ 9000 galaxies from the FORS Deep Field and the GOODS-S field, providing high statistical accuracy and relative insensitivity against cosmic variance. As at lower redshifts, we find that lower-mass galaxies show higher SSFRs than higher mass galaxies, although highly obscured galaxies remain undetected in our sample. Furthermore, the highest mass galaxies contain the oldest stellar populations at all redshifts, in principle agreement with the existence of evolved, massive galaxies at 1 < z < 3. It is remarkable, however, that this trend continues to very high redshifts of z ~ 4. We also show that with increasing redshift the SSFR for massive galaxies increases by a factor of ~ 10, reaching the era of their formation at z ~ 2 and beyond. These findings can be interpreted as evidence for an early epoch of star formation in the most massive galaxies, and ongoing star-formation activity in lower mass galaxies.Comment: Accepted for publication in ApJL; 4 pages, 2 color figures, uses emulateapj.cl

The Munich Near-Infrared Cluster Survey (MUNICS) - IX. Galaxy Evolution to z ~ 2 From Optically Selected Catalogues

(Abridged) We present B, R, and I-band selected galaxy catalogues based on the Munich Near-Infrared Cluster Survey (MUNICS) which, together with the K-selected sample, serve as an important probe of galaxy evolution in the redshift range 0 < z < 2. Furthermore, used in comparison they are ideally suited to study selection effects. The construction of the B, R, and I-selected photometric catalogues, containing ~9000, ~9000, and ~6000 galaxies, respectively, is described in detail. The catalogues reach 50% completeness limits for point sources of B ~ 24.5mag, R ~ 23.5mag, and I ~ 22.5mag and cover an area of about 0.3 square degrees. Photometric redshifts are derived for all galaxies with an accuracy of dz/(1+z) ~ 0.057. We investigate the influence of selection band and environment on the specific star formation rate (SSFR). We find that K-band selection indeed comes close to selection in stellar mass, while B-band selection purely selects galaxies in star formation rate. We use a galaxy group catalogue constructed on the K-band selected MUNICS sample to study possible differences of the SSFR between the field and the group environment, finding a marginally lower average SSFR in groups as compared to the field, especially at lower redshifts. The field-galaxy luminosity function in the B and R band as derived from the R-selected sample evolves out to z ~ 2 in the sense that the characteristic luminosity increases but the number density decreases. This effect is smaller at longer rest-frame wavelengths and gets more pronounced at shorter wavelengths. Parametrising the redshift evolution of the Schechter parameters as M*(z) = M*(0) + a ln(1+z) and Phi*(z) = Phi*(0) (1+z)^b we find evolutionary parameters a ~ -2.1 and b ~ -2.5 for the B band, and a ~ -1.4 and b ~ -1.8 for the R band.Comment: 23 pages, 19 figures; accepted for publication in MNRAS; version with high-resolution figures will be made available at http://www.usm.uni-muenchen.de/people/feulner/munics9/preprint_munics9.pd

The FORS Deep Field: Field selection, photometric observations and photometric catalog

The FORS Deep Field project is a multi-colour, multi-object spectroscopic investigation of an approx. 7 times 7 region near the south galactic pole based mostly on observations carried out with the FORS instruments attached to the VLT telescopes. It includes the QSO Q 0103-260 (z = 3.36). The goal of this study is to improve our understanding of the formation and evolution of galaxies in the young Universe. In this paper the field selection, the photometric observations, and the data reduction are described. The source detection and photometry of objects in the FORS Deep Field is discussed in detail. A combined B and I selected UBgRIJKs photometric catalog of 8753 objects in the FDF is presented and its properties are briefly discussed. The formal 50% completeness limits for point sources, derived from the co-added images, are 25.64, 27.69, 26.86, 26.68, 26.37, 23.60 and 21.57 in U, B, g, R, I, J and Ks (Vega-system), respectively. A comparison of the number counts in the FORS Deep Field to those derived in other deep field surveys shows very good agreement.Comment: 15 pages, 11 figures (included), accepted for publication in A&

The evolution of early and late type galaxies in the COSMOS up to z~1.2

The Cosmic Evolution Survey (COSMOS) allows for the first time a highly significant census of environments and structures up to redshift one, as well as a full morphological description of the galaxy population. In this paper we present a study aimed to constrain the evolution, in the redshift range 0.2 < z < 1.2, of the mass content of different morphological types and its dependence on the environmental density. We use a deep multicolor catalog, covering an area of ~0.7 square degrees inside the COSMOS field, with accurate photometric redshifts (i < 26.5 and dz/(z+1) ~ 0.035). We estimate galaxy stellar masses by fitting the multi-color photometry to a grid of composite stellar population models. We quantitatively describe the galaxy morphology by fitting PSF convolved Sersic profiles to the galaxy surface brightness distributions down to F814 = 24 mag for a sample of 41300 objects. We confirm an evolution of the morphological mix with redshift: the higher the redshift the more disk-dominated galaxies become important. We find that the morphological mix is a function of the local comoving density: the morphology density relation extends up to the highest redshift explored. The stellar mass function of disk-dominated galaxies is consistent with being constant with redshift. Conversely, the stellar mass function of bulge-dominated systems shows a decline in normalization with redshift. Such different behaviors of late-types and early-types stellar mass functions naturally set the redshift evolution of the transition mass. ABRIDGEDComment: 19 pages, 17 figures. Accepted for publication in The Astrophysical Journa

The puzzle of the Lya Galaxies: new results from the VLT

Observations of high-redshift galaxies show that at early cosmic epochs the cosmic UV radiation field appears to be dominated by small galaxies with strong Ly-alpha emission. Although usually small and of relatively low luminosity, these galaxies are easily identified from their line emission. Observations with the VLT resulted in significant progress in the understanding of the nature of these distant galaxies and of their role in the early Universe