Observational Test of Cosmic Web Feeding Model for Star Formation in Galaxy Clusters and Photometric Redshift Forecast for 7-Dimensional Sky Survey

Abstract

우주 거대 구조와 구성 은하들은 우주가 진화함에 따라, 고 적색편이 은하단의 별생성이 어떻게 결정지어지는지 아직 명확하게 알려진 바가 없다. 은하의 생성과 진화는 우주 거대 구조 속에서 함께 이루어지기 때문에 그들의 상호작용을 이해하는 것은 관측적 특성과 연결하는데 큰 기여를 할 것 으로 기대된다. 하지만 은하와 우주 거대 구조의 공진화를 보다 면밀하게 연구하기 위해서는 적색편이가 결정된 많은 수의 관측 자료를 필요로 한다. 따라서 본 학위 논문에서는 두 가지 주제를 연구하고자 한다. 첫 번째로, 은하와 거대 구조가 어떻게 공진화하는가를 살보고자 한다. 그 중에서도 우리는 은하단 내부 은하의 별생생에 미치는 우주 거대 구조의 역할에 주목한다. web feeding model 은 주변 우주 거대 구조로부터 공급되는 은하들로부터 은하단의 별 형성을 설명하는 모델이다. 이 모델을 보다 자세히 검증하기 위해서 측광 적생편이가 ~1% 에 달하는 정확도를 가지고 있는 COSMOS2020를 활용하였다. COSMOS 탐사 영역에서 관측된 150 만개의 은하들을 사용해 은하단 후보 목록을 찾고, 주변 환경인자와 은하단의 별 형성률의 상관관계를 살펴보았다. 0.3 ≤ z ≤ 1.4 에 위치한 측광 적색편이를 통해 헤일로 질량이 10^12.9 - 10^14.4 M☉ 에 달하는 68개의 은하단 후보와 주변 거대 구조를 찾았다. 시뮬레이션 자료와 비교한 결과, friends-of-friends 알고리즘을 사용해 계산한 우주 거대 구조가 실제 은하의 개수 밀도 문포를 잘 대변한다는 것을 확인하였다. 또한 은하단에 연결된 우주 거대 구조가 많을 수록, 별형성률이 낮은 은하들이 더 많이 분포한다는 것을 발견하였다. 이 결과는 우주 거대 구조를 통한 물질의 유입이 은하단의 별 형성률을 효과적으로 촉진할 수 있음을 시사한다. 우주론적 시뮬레이션인 IllustrsTNG를 사용해web feeding model 의 시간적 변화를 추적한 결과, 우주 거대 구조가 연결된 정도와 은하단 내부의 별 형성률이 낮은 은하의 비율은 뚜렷한 상관관계를 보이지 않았다. 하지만 유입되는 은하군 (M200 ≥ 10^12 M☉) 과 은하 (M200 ≤ 10^12 M☉) 에 상대적으로 별 형성률이 높은 은하들이 내부 은하단에 비해서 더 많이 분포하여 은하단의 별 형성률을 유지하는데 기여할 수 있음을 확인하였다. 따라서 z ≤ 1 에 위치하는 은하단의 다양한 별 형성률 차이는 은하단 주변의 거대 구조를 통해 유입되는 은하와 은하군을 통해 부분적으로 설명할 수 있다. 두 번째로는 중대역 필터 관측을 통해 얻을 수 있는 측광 적색편이의 정확도 예측 연구를 수행하였다. 분광 해상도의 측면에서, 중대역 필터는 분해능이 낮은 분광 관측의 역할을 대신하여 비교적 정환한 적색편이를 얻을 수 있다. 7차원적 우주 탐사 (7-Dimensional Sky Survey)는 이러한 중대역 필터의 이점을 활용하여 천문학의 중요한 물음에 대한 답을 찾는데 결정적인 역할을 할 것으로 기대된다. 중대역 필터의 잠재력을 최대한으로 활용하기 위해서는, 탐사의 정확한 예측과 분석이 필수적이다. 따라서 7차원적 우주탐사의 광시야 탐사 (Wide Field Survey)에서 얻어질 측광 적색편이의 정확도를 추정하고, SPHEREx를 비롯한 다른 탐사와의 시너지를 분석하였다. 실제 관측 자료와 유사한 모의 자료를 생성하기 위해서, EL-COSMOS 분광에너지분포 (SED) 모델을 바탕으로 7차원적 망원경의 관측 조건을 고려하였다. 그 결과, 1년간의 광시야 탐사를 통해 적색편이 z < 1와 6250Å 의 한계등급 21.97 등급 범위에서 σ ~ 0.004-0.01 에 달하는 측광 적색편이를 계산할 수 있었다. 탐사가 1년에서 7년까지 진행되는 동안, 관측되는 은하는 비슷한 수준의 측광 적색편이를 도출하면서 그 개수 약 3배로 증가하였다. 또한, SPHEREx의 근적외선 자료를 더했을 때 측광 적색편이가 더 어둡고 고 적색편이인 (z < 3) 은하 까지 η = 1.42%, σ ≲ 0.01, 그리고 b < 0.01 의 정확도를 가졌다. 가시 등급을 조절한 결과를 분석했을 때, 측광 자료의 신호 대 잡음비와 색 지수가 정확한 측광 적색편이를 계산하는데 중요한 요소임을 찾을 수 있었다. 따라서 반치폭 23nm 의 중대역 필터와 분광 해상도는 4000Å 불연속과 방출선들을 효과적으로 측정할 수 있다. 측광 적색편이를 보정하는 여러 방법의 발전과 다른 우주 탐사 자료와의 시너지를 통해 7차원적 우주탐사의 측광 적색편이를 더욱 정확하게 도출해낼 수 있을 것으로 기대한다.

It is yet to be understood what controls the star formation activity in high-redshift galaxy clusters. When galaxies evolve, the surrounding large-scale environment is expected to play an essential role in determining their properties. However, making a clear connection between the galaxy evolution and the large-scale structures requires observational samples in terms of the number of sources with redshifts that are collected over a wide survey area. In this regard, we study two topics in this thesis.

(1) How galaxies and large-scale structures evolve: We focus on the effect of large-scale structures on star formation activity in a cluster of galaxies. One recently proposed mechanism is that galaxy clusters can remain to contain a significant number of star-forming galaxies when fed by infalling groups and star-forming galaxies from large-scale structures surrounding them, which we call as "web feeding model". Using the COSMOS2020 catalog that has half a million galaxies with high accuracy (~1%) photometric redshifts, we study the relationship between star formation activities in galaxy clusters and their surrounding environment to test the web feeding model. We first identify 68 cluster candidates at 0.3 ≤ z ≤ 1.4 with halo masses at 10^12.9 - 10^14.4 M☉, and the surrounding large-scale structures (LSSs) with the friends-of-friends algorithm. Our test with simulation data suggests that clusters and LSSs found this way represent the true density distribution of galaxies well. We find that clusters with low fractions of quiescent galaxies tend to be connected with extended large-scale structures. This result indicates that the accretion from large-scale cosmic webs effectively fuels star-forming galaxies to a galaxy cluster. The time evolution of the web feeding trend is also investigated using the IllustrisTNG cosmological simulation. Even though no clear correlation between the quiescent galaxy fraction of galaxy clusters and the significance of large-scale structures around them is found, we verify that the quiescent galaxy fractions of infallers such as groups (M200 ≥ 10^12 M☉) and galaxies (M200 ≤ 10^12 M☉) is smaller than the quiescent fraction of cluster members and the infallers can lower the quiescent fraction of clusters. These results imply that cluster-to-cluster variations of quiescent galaxy fraction at z ≤ 1 can at least partially be explained by feeding materials through cosmic webs to clusters.

(2) How to obtain information on galaxy population with densely sampled medium-band data: We investigate the expected accuracy of redshifts that can be obtained with low-resolution spectroscopic (medium-band) survey data. The 7-Dimensional Sky Survey (7DS) is expected to play a significant role in answering astronomical questions, but accurate predictions of the survey are essential to maximizing its potential. In this study, we estimate the redshift accuracy that can be obtained from the 7DS Wide-Field Survey (WFS) and explore the synergy with upcoming surveys, particularly SPHEREx. To create 7DS mock catalogs that closely resemble real observations, we used EL-COSMOS model SEDs of galaxies and simulated 7DS SEDs taking into account realistic observational conditions. We find a year of WFS observations would yield reliable photometric redshifts with σ of 0.004 to 0.01 up to z < 1.0 and a limiting magnitude of 21.97 at 6250Å. With the survey progression from 1 year to 7 years, the number of detected sources linearly increases by a factor of ~3 while maintaining a similar photometric redshift accuracy. Additionally, we find that near-infrared data from SPHEREx improves the accuracy of photometric redshift estimates (η = 1.42%, σ ≲ 0.01, and b < 0.01) for fainter sources and higher redshifts (up to z < 3). From the analysis of mock data sets with scaled magnitudes, the role of signal-to-noise and color degeneracies is crucial to confining accurate photometric redshifts. We also confirm that the spectral resolution of medium band filters in 7DS effectively contributes to catching 4000Å break and emission lines. It is expected that further improvement in correction methods and combination with other surveys will remarkably boost the future performance of photometric redshifts in 7DS.