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Greisel, Natascha (2015): Photometric redshifts and properties of galaxies from the sloan digital sky survey. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik
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Abstract

The determination of photometric redshifts is essential for many subjects in cosmology and extragalactic astronomy, like the large scale structure of the Universe, gravitational lensing, or galaxy evolution. If the spectral energy distribution (SED) of a galaxy is measured with high enough spectral resolution, the redshift can be easily derived through the absorption and emission lines which are created by the elements in the galaxy. However, currently more telescopes are equipped with large cameras with charged coupled devices (CCDs) that observe the sky through optical filters. With these photometric observations it is possible to detect much fainter astronomical objects than with spectroscopy. Furthermore, photometric observations are less time consuming and cheaper in comparison, wherefore they are preferentially used for observations of statistical meaningful cosmological volumes. Nonetheless, photometric data, which are often gained by observations through broadband filters, are not as precisely resolved as spectra. Therefore one does not have information about the accurate position in wavelength of spectral lines, but only about the overall shape of the SED. This is the reason why so-called photometric redshifts have to be derived by statistical means. One approach to estimate the redshift through photometry alone are template fitting methods which compare the fluxes predicted by model spectra with the observations. After that, a likelihood analysis is performed with which a probability density function P(z) and the most probable value of z can be derived. To achieve high accuracies with photometric redshift template fitting techniques, the model spectra as well as their corresponding prior probabilities have to be chosen carefully. In this work I use photometric and spectroscopic data of luminous red galaxies from the Sloan Digital Sky Survey (SDSS). I analyze the precision of photometric redshifts estimated with model SEDs specifically designed to match the set of luminous red galaxies of SDSS-II at redshifts z ≤ 0.5 in color and I compare them with published results. These models were created without information on their properties at wavelengths shorter than the SDSS u band. However, the galaxy UV characteristics derived from the model SEDs match those of other observations. Furthermore, I investigate the SED properties derived from the best fitting models with respect to spectroscopic data as functions of redshift and luminosity. At lower redshifts less luminous galaxies from our sample on average show increased signs of star formation in comparison to galaxies with higher luminosities. This is supported by analyses of the line strengths in the spectra. Moreover, star formation activity increases with increasing redshift which is caused by the aging of the galaxy population from higher to lower redshifts. I also generate model spectra for red galaxies from the SDSS-III located at even higher redshifts 0.45 ≤ z ≤ 0.9. For this I modify the shape of theoretical spectra to match the data of the analyzed galaxies to a better extent. The multidimensional space defined by the colors and the absolute magnitude of the galaxies is reduced to two dimensions through a self-organizing map. The map is then partitioned by a k-means algorithm which identifies clusters in the data. From the cluster cells I select model spectra which represent the galaxies from within the same cell. A selection of the models is then used as a template set for photometric redshift estimation. I find that our models improve the redshift accuracy in comparison to the results published by SDSS.

Abstract

Die Bestimmung kosmologischer Rotverschiebungen ist für viele Untersuchungen in der Kosmologie und extragalaktischen Astronomie essentiell. Dies sind z.B. Analysen der großskaligen Struktur des Universums, des Gravitationslinseneffekts oder der Galaxienentwicklung. In der Kosmologie statistisch aussagekräftige Volumina werden heutzutage meist durch Breitbandfilter beobachtet. Mit diesen photometrischen Beobachtungen kann man nur Aussagen über die grobe Form des Spektrums machen, weshalb man sich statistischer Mittel bedienen muss um die Rotverschiebung zu schätzen. Eine Methode zur Bestimmung photometrischer Rotverschiebungen ist es, Flüsse von Modellgalaxien in den Filtern bei verschiedenen Rotverschiebungen z vorherzusagen und mit den beobachteten Flüssen zu vergleichen (template fitting). Danach wird eine Likelihood-Analyse durchgeführt, in der die Vorhersagen mit den Beobachtungen verglichen werden, um die Wahrscheinlichkeitsdichte P(z) und die wahrscheinlichste Rotverschiebung zu bestimmen. Um mit template fitting Methoden möglichst genaue Ergebnisse zu erzielen, müssen die Modellspektren, sowie die zugehörigen a priori Wahrscheinlichkeiten sorgfältig ausgewählt werden. In dieser Arbeit nutze ich photometrische und spektroskopische Daten leuchtkräftiger roter Galaxien (LRGs) aus dem Sloan Digital Sky Survey (SDSS). Ich untersuche die Genauigkeit photometrischer Rotverschiebungen, die mit Modellspektren erreicht werden, welche von mir speziell für den Satz LRGs bei z ≤ 0.5 (SDSS-II) entwickelt wurden, und vergleiche sie mit publizierten Ergebnissen. Diese Modelle wurden ohne Informationen aus Wellenlängenbereichen, die kurzwelliger als das SDSS u Band sind, erstellt. Die Galaxieneigenschaften, die wir aus den Modellen für den UV Bereich vorhersagen können decken sich allerdings mit denen aus anderen Beobachtungen. Darüber hinaus analysiere ich die sich daraus ergebenden Eigenschaften der am besten fittenden Modellspektren und vergleiche sie mit den spektroskopischen Daten. Aus den Ergebnissen ist abzuleiten, dass leuchtschwächere rote Galaxien bei niedriger Rotverschiebung im Mittel größere Anzeichen von Sternentstehung zeigen als leuchtkräftige, was durch Analysen der Spektren bestätigt wird. Überdies können wir einen Abfall im UV Fluss von höheren zu niedrigeren Rotverschiebungen hin beobachten, welcher durch die Alterung der Galaxienpopulation erzeugt wird. Desweiteren generiere ich Modellspektren für leuchtkräftige rote Galaxien aus SDSS-III bei höheren Rotverschiebungen 0.45 ≤ z ≤ 0.9. Ich modifiziere hierzu die Form theoretischer spektraler Energieverteilungen um die Farben der untersuchten Galaxien mit den Modellen bestmöglich wiedergeben zu können. Ich reduziere die Dimension des Raums, der durch die Farben und absoluten Helligkeiten aufgespannt wird, auf zwei Dimensionen mit einer selbstorganisierenden Karte. Diese wird mit einem k-means Algorithmus partitioniert indem wir Häufungspunkte der Daten identifizieren. Aus den sich ergebenden Partitionen selektiere ich einzelne Modellspektren, die die zugrundeliegenden Galaxien repräsentieren. Eine Auswahl aus den erstellten Modellen wird danach für die Schätzung photometrischer Rotverschiebungen verwendet, deren Genauigkeit über die von SDSS publizierten Ergebnisse hinausgeht.