Morphologies of distant galaxies from large cosmological surveys using ground based NIR imaging
Etude de la morphologie de galaxies lointaines à partir de grands relevés en imagerie infrarouge depuis le sol
Résumé
In the local Universe, the distribution of galaxies is bimodal, primarily reflecting a relationship between color and morphology. A capital question in observational cosmology is how this bimodality appears across the history of the Universe. Quantifying morphologies of high redshift objects with a few simple, reliable measurements is however a major obstacle. In the visible, progress over the last ten years have come in particular from the Hubble Space Telescope (HST). At z>1, the HST visible cameras probe however the UV flux, dominated by the emission of young stars, which could bias the estimated morphologies towards late-type systems. In this context, near infrared (NIR) observations are particularly important because the K band flux at z~1 is less dependent on the recent history of star formation.
We investigate whether it is possible to obtain morphologies of high redshift galaxies in the NIR using ground based facilities in order to properly quantify the morphological k-correction effects.
We first use adaptive optics at the Very Large Telescope to obtain a high resolution NIR sample of 79 galaxies in the Ks band. We obtain the limits of the morphological analysis by means of exhaustive simulations and comparisons with space observations.
We then present a first estimate of the morphological evolution of the three main morphological types from z~1.2. The comparison with morphologies obtained with HST/ACS reveals some discrepancies but the small number of objects does not allow to conclude safely about the nature of these differences. A Large Programme proposal has been submitted to ESO to significantly increase our sample.
Second, some improvements to the classical non-parametric methods are proposed (non-linear boundaries and unlimited parameters) using support vector machines. We show that these improvements enable a determination of the morphological type (in two types) with an ~80% accuracy on seeing limited data at z~1. The code is now freely available for download.
The method is then used to analyze a sample of ~50000 galaxies in the NIR within the COSMOS area. We obtain the morphological evolution from z~2 and quantify the k-correction effects by comparing with HST data.
We observe an increase of the early-type population from z~2 (~20%) to the present (~30%) probably reflecting a progressive building up of the red sequence from late-type objects. The classification is globally in good agreement with the one obtained using HST/ACS for z<1. Above z~1, the I-band classification tends to find less early-type galaxies than the Ks-band one by a factor ~1.5 which might be a consequence of morphological k-correction effects.
We investigate whether it is possible to obtain morphologies of high redshift galaxies in the NIR using ground based facilities in order to properly quantify the morphological k-correction effects.
We first use adaptive optics at the Very Large Telescope to obtain a high resolution NIR sample of 79 galaxies in the Ks band. We obtain the limits of the morphological analysis by means of exhaustive simulations and comparisons with space observations.
We then present a first estimate of the morphological evolution of the three main morphological types from z~1.2. The comparison with morphologies obtained with HST/ACS reveals some discrepancies but the small number of objects does not allow to conclude safely about the nature of these differences. A Large Programme proposal has been submitted to ESO to significantly increase our sample.
Second, some improvements to the classical non-parametric methods are proposed (non-linear boundaries and unlimited parameters) using support vector machines. We show that these improvements enable a determination of the morphological type (in two types) with an ~80% accuracy on seeing limited data at z~1. The code is now freely available for download.
The method is then used to analyze a sample of ~50000 galaxies in the NIR within the COSMOS area. We obtain the morphological evolution from z~2 and quantify the k-correction effects by comparing with HST data.
We observe an increase of the early-type population from z~2 (~20%) to the present (~30%) probably reflecting a progressive building up of the red sequence from late-type objects. The classification is globally in good agreement with the one obtained using HST/ACS for z<1. Above z~1, the I-band classification tends to find less early-type galaxies than the Ks-band one by a factor ~1.5 which might be a consequence of morphological k-correction effects.
Dans l'Univers local, la distribution de galaxies est bimodale, reflétant la relation existante entre la couleur et la morphologie.
Une question clef en cosmologie observationnelle est de comprendre comment cette dichotomie est apparue au cours de l'histoire de l'Univers. Les relevés de galaxies ont pour but d'isoler des populations de galaxies à différentes époques cosmiques et de suivre leur évolution. Quantifier de manière fiable les morphologies de galaxies lointaines demeure cependant un obstacle majeur.
Dans le visible, les progrès durant les dix dernières années proviennent essentiellement de données acquises par le télescope spatial Hubble (HST) grâce à la haute résolution angulaire délivrée. Au delà de z~1 pourtant, les caméras visibles du HST sondent le flux UV des galaxies ce qui peut biaiser la morphologie estimée vers des types tardifs. De ce point de vue, les observations dans le proche infrarouge au delà de z~1 sont particulièrement importantes puisque la lumière analysée provient d'étoiles évoluées et est donc moins affectée par des épisodes récents de formation stellaire.
Dans cette thèse, on s'interroge sur la possibilité de quantifier les morphologies de galaxies lointaines dans l'infrarouge proche à l'aide de télescopes au sol afin de quantifier les effets de k-correction morphologique.
Dans un premier temps, l'utilisation d'optique adaptative pour corriger les effets de la turbulence atmosphérique est explorée. On présente l'analyse de 79 galaxies observées avec le système d'optique adaptative NaCo du Very Large Telescope (VLT). Les limites sont obtenues grâce à des simulations exhaustives et des comparaisons avec le télescope spatial. Une première estimation de l'évolution morphologique depuis z~1.2 est obtenue à partir de cet échantillon. La comparaison avec les morphologies obtenues avec le télescope spatial laisse entrevoir des différences mais l'échantillon est trop petit pour extraire des conclusions robustes. Un programme d'observations plus large est proposé.
Dans un deuxième temps, des améliorations aux méthodes classiques non-paramétriques d'estimation morphologique sont proposées (nombre illimité de paramètres simultanés, frontières non linéaires) afin de pouvoir analyser des données observées à travers l'atmosphère. On démontre que ces améliorations permettent une estimation morphologique en deux grands types (elliptique, spirale) avec un taux de réussite de ~80% sur des données limitées par le seeing. Le code source a été mis à disposition de la communauté.
La méthode développée est ensuite employée pour analyser un échantillon de ~50000 galaxies dans l'infrarouge proche. L'évolution morphologique depuis z~2 est obtenue et une quantification des effets de k-correction morphologique est présentée par comparaison avec des données spatiales. On observe une augmentation de la fraction de galaxies elliptiques depuis z~2 (~20%) jusqu'à nos jours (~30%). La classification obtenue est globalement en bon accord avec celle obtenue avec des données spatiales dans le visible jusqu'à z~1. Au delà, la classification infrarouge a tendance à trouver ~1.5 fois plus de galaxies précoces.
Une question clef en cosmologie observationnelle est de comprendre comment cette dichotomie est apparue au cours de l'histoire de l'Univers. Les relevés de galaxies ont pour but d'isoler des populations de galaxies à différentes époques cosmiques et de suivre leur évolution. Quantifier de manière fiable les morphologies de galaxies lointaines demeure cependant un obstacle majeur.
Dans le visible, les progrès durant les dix dernières années proviennent essentiellement de données acquises par le télescope spatial Hubble (HST) grâce à la haute résolution angulaire délivrée. Au delà de z~1 pourtant, les caméras visibles du HST sondent le flux UV des galaxies ce qui peut biaiser la morphologie estimée vers des types tardifs. De ce point de vue, les observations dans le proche infrarouge au delà de z~1 sont particulièrement importantes puisque la lumière analysée provient d'étoiles évoluées et est donc moins affectée par des épisodes récents de formation stellaire.
Dans cette thèse, on s'interroge sur la possibilité de quantifier les morphologies de galaxies lointaines dans l'infrarouge proche à l'aide de télescopes au sol afin de quantifier les effets de k-correction morphologique.
Dans un premier temps, l'utilisation d'optique adaptative pour corriger les effets de la turbulence atmosphérique est explorée. On présente l'analyse de 79 galaxies observées avec le système d'optique adaptative NaCo du Very Large Telescope (VLT). Les limites sont obtenues grâce à des simulations exhaustives et des comparaisons avec le télescope spatial. Une première estimation de l'évolution morphologique depuis z~1.2 est obtenue à partir de cet échantillon. La comparaison avec les morphologies obtenues avec le télescope spatial laisse entrevoir des différences mais l'échantillon est trop petit pour extraire des conclusions robustes. Un programme d'observations plus large est proposé.
Dans un deuxième temps, des améliorations aux méthodes classiques non-paramétriques d'estimation morphologique sont proposées (nombre illimité de paramètres simultanés, frontières non linéaires) afin de pouvoir analyser des données observées à travers l'atmosphère. On démontre que ces améliorations permettent une estimation morphologique en deux grands types (elliptique, spirale) avec un taux de réussite de ~80% sur des données limitées par le seeing. Le code source a été mis à disposition de la communauté.
La méthode développée est ensuite employée pour analyser un échantillon de ~50000 galaxies dans l'infrarouge proche. L'évolution morphologique depuis z~2 est obtenue et une quantification des effets de k-correction morphologique est présentée par comparaison avec des données spatiales. On observe une augmentation de la fraction de galaxies elliptiques depuis z~2 (~20%) jusqu'à nos jours (~30%). La classification obtenue est globalement en bon accord avec celle obtenue avec des données spatiales dans le visible jusqu'à z~1. Au delà, la classification infrarouge a tendance à trouver ~1.5 fois plus de galaxies précoces.
Loading...