The faint radio population in the VLA-COSMOS survey [Elektronische Ressource] : star forming galaxies and active galactic nuclei / presented by Vernesa Smolčić

The Faint Radio Population in theVLA-COSMOS Survey:Star Forming Galaxies andActive Galctic NucleiVernesa Smolˇci´cMax–Planck–Institut fu¨r AstronomieHeidelberg 2007Dissertation in Astronomysubmitted to theCombined Faculties for the Natural Sciences and for Mathematicsof the Ruperto–Carola University of Heidelberg, Germanyfor the degree ofDoctor of Natural Sciencespresented byDipl. Ing. Phys. Vernesa Smolˇci´cborn in Zagreb, CroatiaOral examination: 19.12.2007, 2:00pmThe Faint Radio Population in theVLA-COSMOS Survey:Star Forming Galaxies andActive Galctic NucleiReferees: Prof. Dr. Hans–Walter RixProf. Dr. Stefan WagnerZusammenfassung (German)Die Zusammensetzung der lichtschwachen – submillijansky – Radiopopulation, die in derVergangenheit ein Gegenstand heißer Debatten war und immer noch ist, wird erforscht:◦durch Beobachtungen des 1.4 GHz (20 cm) Radiokontinuums des 2 COSMOS-Feldes,dieeinegrossestatistischsignifikanteStichprobeergeben, undderEntwicklung einerMeth-ode, die eine minimale Parameteranzahl zur effizienten Unterscheidung zwischen den bei-denHauptpopulationeninextragalaktischenRadio-Durchmusterungen–aktivegalaktischeKerne (AGN) und sternbildende Galaxien – nutzt. Diese Methode hat das Potential aucherfolgreich auf Stichproben, die bei anderen Wellenl¨angen selektiert wurden, angewendt zuwerden.
Publié le : mardi 1 janvier 2008
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The Faint Radio Population in the
VLA-COSMOS Survey:
Star Forming Galaxies and
Active Galctic Nuclei
Vernesa Smolˇci´c
Max–Planck–Institut fu¨r Astronomie
Heidelberg 2007Dissertation in Astronomy
submitted to the
Combined Faculties for the Natural Sciences and for Mathematics
of the Ruperto–Carola University of Heidelberg, Germany
for the degree of
Doctor of Natural Sciences
presented by
Dipl. Ing. Phys. Vernesa Smolˇci´c
born in Zagreb, Croatia
Oral examination: 19.12.2007, 2:00pmThe Faint Radio Population in the
VLA-COSMOS Survey:
Star Forming Galaxies and
Active Galctic Nuclei
Referees: Prof. Dr. Hans–Walter Rix
Prof. Dr. Stefan WagnerZusammenfassung (German)
Die Zusammensetzung der lichtschwachen – submillijansky – Radiopopulation, die in der
Vergangenheit ein Gegenstand heißer Debatten war und immer noch ist, wird erforscht:
◦durch Beobachtungen des 1.4 GHz (20 cm) Radiokontinuums des 2 COSMOS-Feldes,
dieeinegrossestatistischsignifikanteStichprobeergeben, undderEntwicklung einerMeth-
ode, die eine minimale Parameteranzahl zur effizienten Unterscheidung zwischen den bei-
denHauptpopulationeninextragalaktischenRadio-Durchmusterungen–aktivegalaktische
Kerne (AGN) und sternbildende Galaxien – nutzt. Diese Methode hat das Potential auch
erfolgreich auf Stichproben, die bei anderen Wellenl¨angen selektiert wurden, angewendt zu
werden. Eines der Hauptergebnisse dieser Arbeit ist, dass sternbildende Galaxien nicht
die submillijansky Radiopopulation dominieren, wie oft angenommen wurde, sondern nur
ungef¨ahr 30−40% beitragen, w¨ahrend der Rest aus AGN und Quasaren besteht. Diese
gut definierte Stichprobe von sternbildenden Galaxien im Radiobereich bei 1.4 GHz wurde
benutzt, umdie kosmische Sternentstehungsgeschichte ausRadiodatenzubestimmen. Ins-
besondere wurde zum ersten Mal die staub-unabh¨angige kosmische Entwicklung der Ster-
−1nentstehungsrate der intensivsten sternbildenen Galaxien (& 100 M yr ) seit ∼ 5 Gyr⊙
nach dem ’Big Bang’ mit hoher Pr¨azision bestimmt. Zus¨atzlich best¨agtigt die, aus den
Radiodaten abgeleitete, kosmische Sternentstehungsgeschichte die Gu¨ltigkeit der großen
Korrekturen fu¨r Staub, die bei anderen Wellenl¨angen angebracht werden.
Abstract (English)
The composition of the faint – submillijansky – radio population, that has been a matter
ofstrongdebate inthe past, isexplored byperformingobservationsat1.4GHz (20cm) ra-
◦dio continuum of the 2 COSMOS field providing a large statistically significant sample,
and by developing a method that uses a minimal number of parameters to efficiently dis-
criminate between the two main populations in extragalactic radio surveys: active galactic
nuclei (AGN) and star forming galaxies. This method bears the potential to be success-
fully applied to similar samples selected at other wavelengths. One of the main findings is
that star forming galaxies do not dominate the submillijansky radio population, as often
assumed, butformonlyabout30−40%ofit, while theremainderiscomposed ofAGNand
quasars. Using this well defined sample of radio-selected star forming galaxies at 1.4 GHz,
the cosmic star formation history is derived using radio data, for the first time constrain-
ing the dust-unbiased cosmic evolution of star formation rate in the most intensively star
−1forming galaxies (& 100 M yr ) since ∼ 5 Gyr after the Big Bang with high precision.⊙
In addition, the radio derived cosmic star formation history confirms the validity of the
large dust corrections applied at other wavelengths.Contents
1 Introduction 1
1.1 Evolution of galaxies and their panchromatic properties . . . . . . . . . . . 1
1.1.1 Galaxy properties in the NUV to NIR range . . . . . . . . . . . . . 2
1.1.2 About the evolution of galaxies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1.3 Major mergers as the main drivers for galaxy evolution . . . . . . . 4
1.1.4 The advantage of using panchromatic properties . . . . . . . . . . . 6
1.2 The radio sky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.2.1 A brief history of radio astronomy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.2.2 The origin of radio emission in extragalactic sources . . . . . . . . 9
1.2.3 Properties of radio sources in the local universe . . . . . . . . . . . 13
1.2.4 Challenges in studying evolution of the radio population . . . . . . 15
1.3 Studying galaxy evolution via (panchromatic) look-back surveys . . . . . . 19
1.3.1 Selection of sky area and wavelength range surveyed . . . . . . . . . 19
1.3.2 The COSMOS and VLA-COSMOS surveys . . . . . . . . . . . . . . 19
2 VLA-COSMOS Large Project 23
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.2 Survey objective . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.2.1 Survey area . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.2.2 Star forming galaxies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.2.3 Active galactic nuclei . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.3 Observations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.3.1 Lay-out of the pointing centers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.3.2 Correlator set-up and calibrators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.3.3 Observing strategy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.4 Data reduction and imaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.4.1 Data reduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.4.2 Imaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.5 Tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.5.1 Flux calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.5.2 Absolute and relative astrometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.6 The VLA-COSMOS catalog . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.6.1 Source extraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41x CONTENTS
2.6.2 Description of the catalog . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.6.3 Comparison to other surveys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
2.7 The VLA-COSMOS survey in the COSMOS context . . . . . . . . . . . . 58
3 VLA-COSMOS faint radio population 59
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.2 The multi-wavelength data set . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.2.1 Radio data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.2.2 Near-ultraviolet, optical and infrared imaging data . . . . . . . . . 63
3.2.3 X-ray data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.2.4 Photometric redshifts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.2.5 Optical spectroscopic data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.3 VLA-COSMOS 1.4 GHz radio sources at other wavelengths . . . . . . . . 66
3.3.1 Matching VLA-COSMOS and NUV/optical/NIR . . . . . . . . . . 66
3.3.2 Radio – optical sources with IRAC and MIPS detections . . . . . . 68
3.3.3 Radio – optical sources with point-like X-ray emission . . . . . . . 70
3.3.4 Remaining radio sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.4 Classification Methodology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.4.1 Calibration in the local universe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.4.2 Application to VLA-COSMOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
3.4.3 Classification outline and nomenclature . . . . . . . . . . . . . . . . 84
3.5 Classification of VLA-COSMOS sources in the matched radio sample . . . 85
3.5.1 Star candidates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
3.5.2 Quasi stellar objects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
3.5.3 Star forming and AGN galaxies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
3.6 Comparison with other selection methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
3.6.1 3.6-8m color – color diagnostics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
3.6.2 The 24 m – radio correlation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
3.6.3 Selection based on spectroscopic diagnostics . . . . . . . . . . . . . 95
3.7 Discussion: The composition of the faint radio population . . . . . . . . . 96
3.7.1 Redshifts and luminosity distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
3.7.2 The ’population mix’ in the VLA-COSMOS survey . . . . . . . . . 100
3.7.3 Concluding remarks on the ’population mix’ . . . . . . . . . . . . . 108
3.8 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
4 The dust un-biased cosmic star formation history (CSFH) 113
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
4.2 The 1.4 GHz luminosity function for star forming galaxies . . . . . . . . . 114
4.2.1 Star forming galaxy sample . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
4.2.2 Derivation of the luminosity function . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
4.2.3 The luminosity function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
4.2.4 The evolution of star forming galaxies . . . . . . . . . . . . . . . . 116
4.3 The cosmic star formation history . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

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