This thesis deals with surface photometry of face-on spiral galaxies in a statistical way, using both single passband as well as color information of a large sample of galaxies. In this chapter I first discuss galaxy formation and evolution models and the role that photometry plays in testing these models. Next some aspects of the (surface) photometry research field are reviewed. I conclude this chapter with an outline of my thesis

de Jong, Roelof Sybe

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English

Spiral galaxies:the light and color distributions in the optical and near-infrared

University of Groningen Research Database

  
 University of Groningen
Spiral galaxies
de Jong, Roelof Sybe
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1995
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de Jong, R. S. (1995). Spiral galaxies: the light and color distributions in the optical and near-infrared
Groningen: s.n.
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RIJKSUNIVERSITEIT GRONINGEN
Spiral Galaxies
The light and color distributions
in the optical and near-infrared
Proefschrift
ter verkrijging van het doctoraat in de
Wiskunde en Natuurwetenschappen
aan de Rijksuniversiteit Groningen
op gezag van de
Rector Magnificus Dr. F. van der Woude
in het openbaar te verdedigen op
vrijdag 24 maart 1995
des namiddags te 2.45 uur precies
door
Roelof Sybe de Jong
geboren op 26 mei 1965
te Leeuwarden
Promotor: Prof. Dr. P.C. van der Kruit
‘I love this place at night
: : : the stars: : :
There is no right
or wrong in them
They’re just there’
Willem Dafoe as Sgt. Elias
in Vietnam-movie Platoon
On the cover:
A true color image of spiral galaxy Messier 100 (NGC 4321 or UGC 7450) with its companion,
composed from B, V and I images obtained with the William Herschel telescope at La Palma. The
bright circular dots around the galaxy are foreground stars from our own Galaxy, the Milky Way,
the fuzzy orange features are background galaxies.
Bij de omslag:
Een kleurenfoto van het spiraal sterrenstelsel Messier 100 (ook wel NGC 4321 of UGC 7450 ge-
noemd) met een begeleidend stelsel. De foto werd gemaakt van afzonderlijke rode, gele en blauwe
afbeeldingen, welke werden gemaakt met de William Herschel teleskoop op La Palma. De heldere
punten om het sterrenstelsel heen zijn voorgrond sterren behorend tot ons eigen sterrenstelsel, de
Melkweg, de vage oranje vlekjes zijn sterrenstelsels op de achtergrond.
IV
Contents
Voorwoord / Preface x
Samenvatting / Summary in Dutch xi
Sterrenstelsels xi
Waarnemingen xi
Statistiek en konijnen xii
Kleuren en bloemen xii
Chapter 0 Introduction & thesis outline 1
1 Galaxy formation and evolution 1
2 Surface photometry 2
2.1 Historical notes on the technique : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 2
2.2 Single passband surface photometry : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 3
2.3 Colors of galaxies : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 3
3 Thesis outline 4
Chapter 1 Selections, observations and data redution 7
1 Introduction 7
2 The sample selection 8
3 Observations and reduction 9
3.1 Creating calibrated optical images : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 9
3.1.1 The observations : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 9
3.1.2 Direct imaging reduction : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 11
3.1.3 Driftscan reduction : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 11
3.1.4 Archive reduction : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 15
3.1.5 Calibration of the optical observations : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 15
3.1.6 Last reduction steps : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 16
3.2 Creating calibrated near-IR images : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 17
3.2.1 The near-IR observations : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 17
3.2.2 Near-IR reduction : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 17
3.2.3 Calibrating the near-IR observations : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 18
3.3 Profile extraction : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 19
3.4 Integrated magnitudes : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 21
3.5 Comparison with other measurements : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 21
4 Discussion 24
A Profiles and images 28
Chapter 2 A two-dimensional method to determine disk and bulge parameters 59
1 Introduction 59
2 The data 60
V
3 Two-dimensional decomposition 60
3.1 Advantages of two-dimensional fitting : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 60
3.2 The model components : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 61
3.3 Fitting procedure : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 61
3.4 Tests on artificial data : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 62
3.5 Tests on UGC 438 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 64
3.6 Resulting parameters : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 64
4 Comparison of different decomposition methods 66
4.1 One-dimensional decompositions : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 66
4.2 Profile comparison : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 67
4.3 Comparison of 2 values : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 71
4.4 Comparisons of errors due to sky uncertainties : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 72
4.5 Comparison of the resulting disk parameters : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 72
4.6 The exponential bulge versus other bulge models : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 74
5 Error discussion 74
6 Conclusions 75
Chapter 3 The statistics of disk and bulge parameters 77
1 Introduction 77
1.1 Freeman’s law : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 77
1.2 Bivariate distributions : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 78
1.3 Morphological classification : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 78
1.4 Outline : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 78
2 The data 78
3 Corrections 79
3.1 Galactic foreground extinction : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 79
3.2 Inclination corrections : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 79
3.3 Distances : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 79
3.4 Selection correction : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 80
4 The distribution of disk, bulge and bar parameters 81
4.1 The disk parameters : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 81
4.2 The bulge parameters : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 87
4.3 The bulge/disk relation : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 88
5 Discussion 90
5.1 Freeman’s law : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 90
5.1.1 Optically thick dust : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 91
5.1.2 Erroneous profile fitting : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 91
5.1.3 Selection effects : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 92
5.2 Bivariate distributions : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 92
5.3 Hubble classification : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 94
5.4 Galaxy formation and evolution models : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 94
6 Conclusions 95
Chapter 4 Colors and color gradients of spiral galaxies 99
1 Introduction 99
2 The data 100
VI
3 Color gradients 112
3.1 Extinction models : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 113
3.1.1 Modeling dust effects : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 113
3.1.2 Resulting profiles : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 114
3.1.3 Resulting color–color diagrams : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 117
3.2 Evolutionary stellar population synthesis models : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 117
3.2.1 Modeling stellar populations : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 117
3.2.2 SFH in color–color diagrams : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 119
3.2.3 Age and metallicity in color–color diagrams : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 119
3.3 Color gradients; measurements versus models : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 121
3.3.1 The measurements in color–color diagrams : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 121
3.3.2 Measurements versus dust models : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 122
3.3.3 Measurements versus metallicity effects : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 122
3.3.4 Measurements versus SFH : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 122
3.3.5 Measurements versus both age and metallicity effects : : : : : : : : : : : : : : 122
4 Colors and the structural galaxy parameters 123
5 Discussion 124
6 Conclusions 126
A Monte Carlo radiative transfer simulations of light and dust in exponential disks 128
A.1 The mathematical method : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 128
A.2 The creation of photons : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 128
A.3 The dust properties : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 130
A.4 The numerical method : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 131
A.5 Projection on the sky : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 131
A.6 Testing and the results : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 132
Chapter 5 Conclusions & prospects 133
1 The distribution of light 133
2 The distribution of colors 133
3 Future work 134
VII
VIII


University of Groningen

   University of GroningenSpiral galaxiesde Jong, Roelof SybeIMPORTANT NOTE: You are advised to consult the publisher's version (publisher's PDF) if you wish to cite fromit. Please check the document version below.Document VersionPublisher's PDF, also known as Version of recordPublication date:1995Link to publication in University of Groningen/UMCG research databaseCitation for published version (APA):de Jong, R. S. (1995). Spiral galaxies: the light and color distributions in the optical and near-infrared.Groningen: s.n.CopyrightOther than for strictly personal use, it is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of theauthor(s) and/or copyright holder(s), unless the work is under an open content license (like Creative Commons).Take-down policyIf you believe that this document breaches copyright please contact us providing details, and we will remove access to the work immediatelyand investigate your claim.Downloaded from the University of Groningen/UMCG research database (Pure): http://www.rug.nl/research/portal. For technical reasons thenumber of authors shown on this cover page is limited to 10 maximum.Download date: 12-11-2019RIJKSUNIVERSITEIT GRONINGENSpiral GalaxiesThe light and color distributionsin the optical and near-infraredProefschriftter verkrijging van het doctoraat in deWiskunde en Natuurwetenschappenaan de Rijksuniversiteit Groningenop gezag van deRector Magnificus Dr. F. van der Woudein het openbaar te verdedigen opvrijdag 24 maart 1995des namiddags te 2.45 uur preciesdoorRoelof Sybe de Jonggeboren op 26 mei 1965te LeeuwardenPromotor: Prof. Dr. P.C. van der Kruit‘I love this place at night: : : the stars: : :There is no rightor wrong in themThey’re just there’Willem Dafoe as Sgt. Eliasin Vietnam-movie PlatoonOn the cover:A true color image of spiral galaxy Messier 100 (NGC 4321 or UGC 7450) with its companion,composed from B, V and I images obtained with the William Herschel telescope at La Palma. Thebright circular dots around the galaxy are foreground stars from our own Galaxy, the Milky Way,the fuzzy orange features are background galaxies.Bij de omslag:Een kleurenfoto van het spiraal sterrenstelsel Messier 100 (ook wel NGC 4321 of UGC 7450 ge-noemd) met een begeleidend stelsel. De foto werd gemaakt van afzonderlijke rode, gele en blauweafbeeldingen, welke werden gemaakt met de William Herschel teleskoop op La Palma. De helderepunten om het sterrenstelsel heen zijn voorgrond sterren behorend tot ons eigen sterrenstelsel, deMelkweg, de vage oranje vlekjes zijn sterrenstelsels op de achtergrond.IVContentsVoorwoord / Preface xSamenvatting / Summary in Dutch xiSterrenstelsels xiWaarnemingen xiStatistiek en konijnen xiiKleuren en bloemen xiiChapter 0 Introduction & thesis outline 11 Galaxy formation and evolution 12 Surface photometry 22.1 Historical notes on the technique : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 22.2 Single passband surface photometry : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 32.3 Colors of galaxies : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 33 Thesis outline 4Chapter 1 Selections, observations and data redution 71 Introduction 72 The sample selection 83 Observations and reduction 93.1 Creating calibrated optical images : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 93.1.1 The observations : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 93.1.2 Direct imaging reduction : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 113.1.3 Driftscan reduction : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 113.1.4 Archive reduction : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 153.1.5 Calibration of the optical observations : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 153.1.6 Last reduction steps : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 163.2 Creating calibrated near-IR images : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 173.2.1 The near-IR observations : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 173.2.2 Near-IR reduction : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 173.2.3 Calibrating the near-IR observations : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 183.3 Profile extraction : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 193.4 Integrated magnitudes : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 213.5 Comparison with other measurements : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 214 Discussion 24A Profiles and images 28Chapter 2 A two-dimensional method to determine disk and bulge parameters 591 Introduction 592 The data 60V3 Two-dimensional decomposition 603.1 Advantages of two-dimensional fitting : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 603.2 The model components : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 613.3 Fitting procedure : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 613.4 Tests on artificial data : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 623.5 Tests on UGC 438 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 643.6 Resulting parameters : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 644 Comparison of different decomposition methods 664.1 One-dimensional decompositions : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 664.2 Profile comparison : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 674.3 Comparison of 2 values : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 714.4 Comparisons of errors due to sky uncertainties : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 724.5 Comparison of the resulting disk parameters : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 724.6 The exponential bulge versus other bulge models : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 745 Error discussion 746 Conclusions 75Chapter 3 The statistics of disk and bulge parameters 771 Introduction 771.1 Freeman’s law : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 771.2 Bivariate distributions : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 781.3 Morphological classification : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 781.4 Outline : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 782 The data 783 Corrections 793.1 Galactic foreground extinction : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 793.2 Inclination corrections : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 793.3 Distances : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 793.4 Selection correction : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 804 The distribution of disk, bulge and bar parameters 814.1 The disk parameters : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 814.2 The bulge parameters : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 874.3 The bulge/disk relation : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 885 Discussion 905.1 Freeman’s law : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 905.1.1 Optically thick dust : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 915.1.2 Erroneous profile fitting : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 915.1.3 Selection effects : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 925.2 Bivariate distributions : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 925.3 Hubble classification : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 945.4 Galaxy formation and evolution models : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 946 Conclusions 95Chapter 4 Colors and color gradients of spiral galaxies 991 Introduction 992 The data 100VI3 Color gradients 1123.1 Extinction models : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 1133.1.1 Modeling dust effects : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 1133.1.2 Resulting profiles : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 1143.1.3 Resulting color–color diagrams : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 1173.2 Evolutionary stellar population synthesis models : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 1173.2.1 Modeling stellar populations : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 1173.2.2 SFH in color–color diagrams : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 1193.2.3 Age and metallicity in color–color diagrams : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 1193.3 Color gradients; measurements versus models : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 1213.3.1 The measurements in color–color diagrams : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 1213.3.2 Measurements versus dust models : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 1223.3.3 Measurements versus metallicity effects : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 1223.3.4 Measurements versus SFH : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 1223.3.5 Measurements versus both age and metallicity effects : : : : : : : : : : : : : : 1224 Colors and the structural galaxy parameters 1235 Discussion 1246 Conclusions 126A Monte Carlo radiative transfer simulations of light and dust in exponential disks 128A.1 The mathematical method : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 128A.2 The creation of photons : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 128A.3 The dust properties : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 130A.4 The numerical method : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 131A.5 Projection on the sky : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 131A.6 Testing and the results : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 132Chapter 5 Conclusions & prospects 1331 The distribution of light 1332 The distribution of colors 1333 Future work 134VIIVIII

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Spiral galaxies:the light and color distributions in the optical and near-infrared

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