High redshift quasar candidates in the southern sky with KS4 = KS4를 이용한 남반구 하늘의 고적색편이 (𝑧 〜 5.5) 퀘이사 후보 탐사 연구

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 KMTNet Synoptic Survey of Southern Sky Data Release 1(KS4 DR1)을 활용하여 남반구 하늘에서 밝은(I < 20 AB mag) 고적색편이(z ∼ 5.5) 퀘이사 후보를 탐사하는 것을 목표로 한다. KS4 조사는 B, V, R, I 밴드에서 광대역 남반구 영역(~4,500 deg²)을 커버하며, 고적색편이 퀘이사를 탐지하기에 충분한 심도(I ∼ 22.1 AB mag)를 제공한다. KS4의 I-밴드 필터는 SDSS i-밴드에 비해 보다 넓은 대역폭을 가지고도, 색상 선택 기법에 적색 왜성 및 퀘이사와 유사한 색상으로 인한 어려움을 겪는 z ∼ 5.5 영역에서 R-dropout 퀘이사 탐색에 유리하다.

이를 위해 KS4와 AllWISE 데이터를 활용한 광학 및 중적외선 색상 선택 (color selection)을 적용하였으며, KS4, DELVE, VHS, AllWISE에서 얻은 광학 및 근적외선 광도 자료를 바탕으로 SED 피팅을 수행하여 색상 선택된 후보들의 특성을 평가하였다. 별 오염을 최소화하기 위해 선정한 831개 KS4 필드에서 색-색도표 (color-color) 기준을 통해 초기 1,407개의 퀘이사 후보를 선별하였으며, 이후 SED 피팅과 베이지안 정보 기준 (BIC) 기반의 후속 선정 절차를 거쳐 최종적으로 9개의 신뢰도 높은 고적색편이 퀘이사 후보를 도출하였다. 본 연구에 사용된 KS4 data의 유효 관측 면적은 HEALPix 기반 MOC 맵을 활용하여 2,203.0 제곱도로 계산되었다.

그 결과, 가장 어두운 영역(M₁₄₅₀ ≳ −26.75)의 QLF는 기존 북반구에서의 연구 결과와 잘 일치하며, 이는 본 연구에서 사용된 SED 기반의 completeness 보정이 어두운 퀘이사 탐색에 효과적임을 시사한다. 밝은 영역에서는 QLF 매개변수의 적절한 진화를 허용하는 모델(예: Kim & Im (2021)의 Case 3 모델)과도 잘 일치하며, 이는 z ∼ 5.3에서의 QLF 형태가 정규화뿐만 아니라 기울기 측면에서도 진화하고 있음을 의미한다. 특히 본 연구는 남반구 데이터를 기반으로 하며, 기존 북반구 연구와 본 연구 결과가 잘 일치한다는 점은 고적색편이 퀘이사 분포의 등방성을 뒷받침하며, 이전에 보고된 남-북반구의 비대칭이 선택 효과 또는 통계적 불확실성 때문일 수 있음을 시사한다.

그러나, 본 연구는 광도 기반 적색편이와 광도 기반 후보 선택에 기반하였기 때문에 정확한 QLF 측정을 위해서는 스펙트럼 후속 관측이 필수적이다. 더 깊은 이미지, 템플릿 라이브러리 확장, 더 희미한 영역으로의 분석 확대를 통한 후속 연구를 통해 z > 5 퀘이사의 진화와 이온화 후 배경에 대한 기여도를 보다 정확하게 결정할 수 있을 것이다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study aims to search for bright (I < 20 AB mag) high-redshift (z ~ 5.5) quasar candidates in the southern sky using data from the KMTNet Synoptic Survey of the Southern Sky Data Release 1 (KS4 DR1). The KS4 survey covers a wide southern sky area of approximately 4,500 square degrees in the B, V, R, and I bands and provides sufficient depth (I ~ 22.1 AB mag) to detect high-redshift quasars. The I-band filter of KS4 has a broader bandwidth compared to the SDSS i-band, which offers a particular advantage for identifying R-dropout quasars in the z ~ 5.5 range, where traditional color selection methods often struggle due to color degeneracy between quasars and M-type dwarf stars.

To this end, we applied optical and mid-infrared color selection using KS4 and AllWISE data and performed spectral energy distribution (SED) fitting based on optical and near-infrared photometry obtained from KS4, DELVE, VHS, and AllWISE to evaluate the nature of the color-selected candidates. From 831 KS4 fields selected to minimize stellar contamination, an initial sample of 1,407 quasar candidates was identified using color–color criteria. To refine our sample, we applied SED fitting and selected 9 reliable high-redshift quasar candidates based on BIC analysis.

We used this sample to construct a quasar luminosity function (QLF) at a redshift of z ~ 5.5 using the standard 1/Va method and a completeness function derived from synthetic SED modeling. The effective survey area was calculated to be 2,203.0 square degrees.

Our QLF results show strong agreement with previous studies in the faintest bin (M1450 ≳ -26.75), indicating that the completeness correction effectively recovers faint quasars. The bright-end measurements are more consistent with models that allow redshift evolution of QLF parameters (for example, the Case 3 model of Kim and Im, 2021), suggesting that the QLF shape evolves in both normalization and slope at z ~ 5.3.

Importantly, this analysis is based on a purely southern sky sample. The overall agreement with the northern hemisphere results, especially at the faint end, supports the isotropy of the high-redshift quasar population and suggests that previous reports of hemispheric asymmetry may be due to selection effects or small numbers.

As this study is based on photometric redshifts and candidate selection, spectroscopic follow-up is essential to confirm the properties and redshift of the candidates and to improve the accuracy of the QLF. Future work will include deeper imaging, expanded template libraries, and extension to fainter luminosities, which will be critical for understanding the role of quasars in the post-reionization era.

목차 (Table of Contents)

• Abstract i
• List of Figures iv
• List of Tables v
• List of Acronyms 1
• 1 Introduction 2
• 1.1 Introduction 2
• 2 Quasar Candidates selection 5
• 2.1 KS4 Data 5
• 2.2 High redshift Quasar Candidates Selection 6
• 2.2.1 Photometry Selection 6
• 2.2.2 Color Selection 7
• 2.2.3 SED fitting 9
• 3 Results & Discussion 11
• 3.1 Quasar Candidates 11
• 3.2 Quasar Luminosity Function 12
• 3.3 Discussion 16
• 4 Summary & Conclusion 18
• A Photometric Measurements of QSO Candidates 20
• B SED Fitting Results for QSO Candidates 22
• Bibliography 26
• 한국어 초록 30