Cosmological surveys with Spitzer and Herschel space observatories: luminosity functions and cosmological evolution

Infrared wavelengths contain a substantial amount of information about the origin of galax- ies and active galactic nuclei and about the evolutionary history of star formation, metal pro- duction and gravitational accretion. They present a widely complementary view with respect to more classical surveys in the optical. However, the different physical processes occurring in galaxies all leave their imprint on the global and detailed shape of the spectrum, each dominating at different wavelengths. Thus only detailed analysis of the multi-wavelength properties of a galaxy should, in principle, allow us to fully understand the nature of that ob ject. In this context, a ma jor development in the last decade has been the advent of new observing facilities and large surveys at all wavelengths of the spectrum, enabling astronomers for the first time to observe the full Spectral Energy Distributions (SEDs) of significant samples of galaxies over a large redshift range at wavelengths from the X-rays to the Radio. In particular Spitzer and Herschel have been giving a great contribution, allowing, for the first time, the sampling of the MIR, FIR and SMM part of the spectrum at multiple wavelengths. In this work we exploited a number of multi-wavelength extragalactic surveys in fields jointly observed by Spitzer and Herschel to determine the IR galaxy luminosity function at MIR, FIR and SMM wavelengths and study the evolution of IR sources with cosmic time. We used data in areas jointly covered by Spitzer Deep & Wide Extragalactic Surveys and the Herschel Multi-tiered Extragalactic Survey (HerMes, Oliver et al. (2012)). These surveys include the deepest and widest observations ever carried out at these wavelengths, probing the almost unexplored IR wavelength range up to 500 µm in fields of sizes from 0.01 deg2 to 10 deg2 . Besides, over the better part of their covered areas, it was possible to exploit numerous photometric and spectroscopic surveys in order to completely cover the wavelength range from the FUV to the NIR (e.g. GALEX in the FUV/NUV, SDSS, INTWFS, CFHTLS and others in the Optical, 2MASS and UKIDSS in the NIR) and thus characterize the physical properties of detected sources in great detail. Part of the present work has been devoted to the construction and validation of the so called Spitzer-Selected Multi-Wavelength Wide-Area Data Fusion. In this database we combined Spitzer mid- and far-infrared data from the Spitzer Wide-area InfraRed Extragalactic (SWIRE, Lonsdale et al. (2003)) survey in six fields, the Spitzer Deep-Wide Field Survey (SDWFS) in the Bootes field, the Spitzer Extragalactic First Look Survey (XFLS) in the XFLS field, with data at UV, Optical and NIR wavelengths, covering about 70 deg2 in total. We fully exploited the power of the SDSS and INTWFS databases, as well as complementary near-infrared data from 2MASS and UKIDSS and further optical imaging obtained by the SWIRE, SDWFS and XFLS teams. We then added to this rich dataset all the spectroscopic information available from SDSS and NED. The Spitzer Data Fusion represents an ideal starting point to perform statistical studies on galaxies like detailed SED fitting analysis to estimate photometric redshifts, masses as well as the Star Formation Rates (SFRs).It has been used to validate the Herschel SDP observations within the HerMES consortium team and to produce the first release of the official SPIRE catalogues. It was developed to be VO-compliant and will be made publicly available, together with a collection of ancillary information such as the transmission curves and Vega-to-AB conversion factors of all spectral filters. The determination of the Galaxy Luminosity Function is often hampered by the difficulties of covering a wide area down to faint fluxes on one hand and determining counterparts and their redshifts for detected sources in a complete and reliable manner on the other. In this work we have thus assembled and exploited the deepest and widest Spitzer and Herschel extragalactic surveys to select IR galaxy samples in a complete and reliable manner, and the best UV/Optical/NIR ancillary data to identify them and estimate their redshifts. Thanks to Spitzer and Herschel observations we are now able, for the first time, to reliably sample the IR bolometric luminosity of sources at virtually any epoch and thus provide important insights into dust obscured star formation activity across Cosmic Time. Even with the best dataset, however, accurately constructing the Luminosity Function remains a tricky pursuit, since the presence of observational selection effects due to e.g. detection thresholds in apparent magnitude, colour, surface brightness or some combination thereof can make any given galaxy survey incomplete and thus introduce biases in the Luminosity Function estimates. Only a comparison of results coming from different Luminosity Function estimators applied on the same samples can ensure we can assess the impact of these biases in a robust manner. Armed with the Spitzer Data Fusion, we were able to describe the 0 < z < 0.5 Local Luminosity Function of sources selected in wide fields by the Spitzer MIPS and Herschel SPIRE imagers. We fully exploited the multi-wavelength information collected within the Spitzer Data Fusion to perform a complete SED fitting analysis of MIPS and SPIRE sources and thus estimate the monochromatic rest-frame luminosities at both MIPS 24/70/260 µm and SPIRE 250/350/500 µm as well as the IR bolometric luminosity integrating the SED between 8 and 1000 µm. We then implemented a number of different statistical estimators to evaluate the local luminosity functions of flux-limited samples in these bands: the classical 1/Vmax estimator Schmidt (1968) and the modified 1/Vest version by Page & Carrera (2000); a parametric maximum likelihood technique (ML) based on a bayesian approach as described in Kelly et al. (2008) and finally a semi-parametric approach introduced by Schafer (2007). We have then applied the same tools to the PACS/SPIRE dataset provided by the PEP/HerMES teams in the Cosmic Evolution Survey (COSMOS) field, where PACS/SPIRE sensitivity and the COSMOS photometric redshift catalog allowed us to probe the evolution of Herschel sources up to z ∼ 5. Namely, we have studied the redshift-dependent FIR/SMM Monochro- matic and IR Bolometric Luminosity and the inferred Cosmic Star Formation Rate Density of SPIRE 250 µm sources. Given the uncertainties at play, two independent methods to measure the evolutionary rates of Herschel sources were applied, returning consistent results and thus strengthening our conclusions. Our results put strong constraints on modeling predictions, and their comparison with semi-analytical models for the formation of galaxies into a self-consistent cosmological context starting from first principles readily shows substantial disagreements in the observed/predicted evolutionary rates of Herschel sources at moderate-to-high redshifts.

Le lunghezze d’onda infrarosse contengono delle informazioni fondamentali per descrivere l’origine delle galassie, dei nuclei galattici attivi e, piu' in generale, la storia evolutiva della for- mazione stellare, della produzione dei metalli e dell’accrescimento gravitazionale. In sostanza quindi, rappresentano un punto di vista del tutto complementare a quello investigato dalle piu classiche survey nell’ottico. Tuttavia, i vari processi fisici che si susseguono nella formazione galattica lasciano la loro impronta sulla forma dello spettro di emissione globalmente a tutte le lunghezze d’onda, cias- cuno piu' o meno dominante nei diversi regimi di frequenza. Per questo motivo solo tramite dettagliati studi multi banda sulle propriet`a delle galassie siamo in grado di capire approfonditamente la nature di questo tipo di sorgenti. In questo contesto, un grosso passo avanti `e stato compiuto nell’ultima decade, grazie all’avvento di nuovi telescopi e di grandi survey osservative condotte a tutte le lunghezze d’onda, consentendo quindi, per la prima volta, un reale studio completo, dai raggi X al Radio, delle SED di un significativo numero di galassie. In particolare, gli osservatori spaziali Spitzer ed Herschel stanno dando un grosso contributo in questo senso, permettendo, per la prima volta, osservazioni nel medio-, lontano- infrarosso e nel regime sub-millimetrico campionando diverse lunghezze d’onda. In questo lavoro sfruttiamo diverse survey multibanda condotte in maniera congiunta da Spitzer e Herschel con il fine di studiare le funzioni di luminosita' nelle bande del medio-, lontano-infrarosso e del sub-millimetrico e determinare poi l’evoluzione delle sorgenti infrarosse. Piu' nel dettaglio abbiamo basato la nostra analisi sui dati raccolti nelle survey sia profonde che su grandi aree, e quindi meno profonde, condotte da Spitzer, e nella Herschel Multi-tiered Extragalactic Survey (HerMes, Oliver et al. (2012)) condotta da Herschel. Queste campagne osservative includono le osservazioni piu' profonde e piu' vaste in area mai condotte a queste lunghezze d’onda, analizzando il per lo piu' inesplorato intervallo di lunghezze d’onda infrarosse fino a 500 µm in aree di cielo che vanno dai 0.01 gradi2 ai 10 gradi2 . Inoltre, nella maggior parte delle aree da loro coperte, e' stato possibile sfruttare un considerevole numero di campagne osservative sia fotometriche che spettroscopiche consentendo di raccogliere informazioni anche nelle restanti bande dello spettro elettromagnetico dal lontano ultravioletto al vicino infrarosso (per esempio, GALEX nel lontano e vicino UV, SDSS, INTWFS, CFHTLS e altre nell’ottico, 2MASS e UKIDSS nel vicino IR) ed essere cosı' in grado di caratterizzare dettagliatamente le propriet`a fisiche delle sorgenti rilevate. Una parte del presente lavoro e' stata dedicata alla costruzione e alla validazione del database denominato Spitzer-Selected Multi-Wavelength Wide-Area Data Fusion. In questo database abbiamo combinato i dati nel medio- e lontanto-IR raccolti da Spitzer nelle campagne osservative Spitzer Wide-area InfraRed Extragalactic (SWIRE, Lonsdale et al. (2003)) in sei aree di cielo, Spitzer Deep-Wide Field Survey (SDWFS) nell’area di Bootes, Spitzer Extra- galactic First Look Survey (XFLS) nell’area di XFLS, assieme ai dati nell’UV, nell’Ottico e nel vicino IR, campionando circa 70 gradi2 in totale. Abbiamo sfruttato al massimo l’ampiezza e la ricchezza dei dati raccolti da SDSS e INTWS nell’ottico e da 2MASS e UKIDSS nel vicino-IR, cos`ı come altre osservazioni ottiche ottenute all’interno dei progetti SWIRE, SWDFS e XFLS. Abbiamo cos`ı aggiunto a questa gi`a ricca quantit`a di dati tutte le informazioni spettroscopiche disponibili da SDSS e NED. Il Spitzer Data Fusion rappresenta un ideale punto di partenza per studi sulle propriet`a statistiche delle galassie, come lo studio dettagliato delle distribuzioni di energia spettrale (SED) per la stima dei redshift fotometrici, delle masse e del tasso di formazione stellare (SFR). E`stato usato per validare le osservazioni condotte da Herschel in SDP all’interno del consorzio HerMES e per produrre la prima versione pubblica dei cataloghi SPIRE. E`stato pensato per essere compatibile con le piattaforme rese disponibili dal VO e sar`a reso pubblico assieme ad una collezione di altre quantit`a ancillari come le curve di trasmissione e gli indici di conversione tra magnitudini Vega ed AB per tutti i filtri disponibili. Lo studio delle funzioni di luminosita' e' spesso reso piu' complicato a causa, da un lato, delle difficolta' di condurre osservazioni su grandi aree fino a bassi livelli di flusso, dall’altro delle difficolta' di associare una corretta stima del redshift alle sorgenti man mano osservate. In questo lavoro abbiamo percio' assemblato le osservazioni piu' profonde e su grandi aree di Spitzer ed Herschel con lo scopo di selezionare un campione di galassie infrarosse nel modo piu' completo e affidabile, cosı' come la migliore collezione collezione di dati ancillari UV/Ottico/NIR atti ad identificare le controparti di queste sorgenti e determinarne una stima corretta del redshift. Grazie alle osservazioni di Spitzer ed Herschel siamo infatti in grado, per la prima volta, di campionare la luminosita' bolometrica infrarossa integrata tra 8 e 1000 µm delle sorgenti ad ogni epoca cosmica e quindi consentire di studiare nel dettaglio i processi di formazione stellare oscurati dalla polvere del mezzo intergalattico in funzione del tempo cosmico. Ad ogni modo, anche avendo a disposizione la migliore collezione di dati, studiare le funzioni di luminosit`a delle galassie rimane complicato e ricco di aspetti controversi, a causa della presenza di effetti di selezione sulle osservazioni dovute, per esempio, al limite di sensibilit`a degli strumenti che rendono per lo piu' incompleti i campioni di galassie selezionati e introducono quindi dei bias nella stima corretta delle funzioni di luminosita'. E` quindi chiaro che solo tramite un confronto diretto delle stime ottenute utilizzando diversi metodi statistici sugli stessi campioni di dati che possiamo essere sicuri di quantificare l’impatto di questi effetti di selezione sui nostri risultati. Grazie alla Spitzer Data Fusion, siamo in grado di descrivere le funzioni di luminosita’ locali (0 < z < 0.5) delle sorgenti selezionate nei campioni di grande area raccolti dai fotometri MIPS e SPIRE, rispettivamente operanti su Spitzer ed Herschel. Abbiamo sfruttato ampiamente le informazioni multi banda raccolte nel database per analizzare le SED delle sorgenti rilevate da questi strumenti e quindi stimare, nel sistema di riferimento a riposo, le luminosita' monocromatiche sia nelle bande a MIPS 24/70/260 µm che in quelle a SPIRE 250/350/500 µm e la luminosit`a infrarossa bolometrica integrata tra 8 e 1000 µm per ciascuna sorgente. Successivamente abbiamo utilizzato svariato metodi statistici per stimare la funzione di luminosita' locale di campioni completi di galassie selezionate in flusso per ciascuna di queste bande: il classico metodo 1/Vmax diSchmidt (1968) e una sua incarnazione leggermente modificata detta 1/Vest introdotta da Page & Carrera (2000); un metodo parametrico di maximum likelihood basato sulla statistica Bayesiana descritto da Kelly et al. (2008) ed infine un metodo semi-parametrico introdotto da Schafer (2007). Abbiamo poi applicato gli stessi metodi ad un campione di dati raccolti dai due fotometri PACS e SPIRE, di Herschel, distribuiti dal consorzio HerMES e centrati nell’area della survey Cosmic Evolution Survey (COSMOS), osservazioni in cui la sensibilit`a di PACS e SPIRE a il catalogo di redshift fotometrici di COSMOS ci consentono di studiare l’evoluzione delle sorgenti di Herschel fino a z ∼ 5. Nello specifico abbiamo studiato, in funzione del redshift, le funzioni di luminosit`a monocromatiche, la funzione di luminosit`a bolometrica infrarossa integrata tra 8 e 1000 µm e la densita' del tasso di formazione stellare cosmica delle sorgenti rilevate da SPIRE a 250 µm. Data per assodata la presenza di incertezze nelle stime sopra citate, abbiamo applicato due metodi indipendenti per misurare il tasso evolutivo delle sorgenti, ottenendo risultati consistenti tra loro e quindi rendendo ancora piu' solide le nostre stime. I nostri risultati pongono dei vincoli stringenti sulle predizioni modellistiche dei modelli semi-analitici che descrivono la formazione della galassie sulla base di principi primi in accordo con lo scenario cosmologico standard, e dai nostri confronti emerge un sostanziale disaccordo tra i risultati osservativi da noi ottenuti e quelli predetti dai modelli nel quantificare il tasso evolutivo delle sorgenti rilevate da Herschel, soprattutto ad alto redshift.