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Gabasch, Armin (2004): Galaxy Evolution in the Fors Deep Field. Dissertation, LMU München: Faculty of Physics
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Abstract

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.