[論文レビュー] A Reference Survey for Supernova Cosmology with the Nancy Grace Roman Space Telescope

Benjamin Rose, C. Baltay+34 more|arXiv (Cornell University)|Nov 4, 2021

Astronomical Observations and Instrumentation参考文献 2被引用数 28

ひとこと要約

論文は、ローマ宇宙望遠鏡のための高緯度時間領域の二層設計を提案し、SN Ia 宇宙論において w0–wa で約6 mmag の感度を達成することを目指します。画像取得とプリズム分光戦略、観測場の選択、カデンス、予想される SN の数を詳述します。

ABSTRACT

This note presents an initial survey design for the Nancy Grace Roman High-latitude Time Domain Survey. This is not meant to be a final or exhaustive list of all the survey strategy choices, but instead presents a viable path towards achieving the desired precision and accuracy of dark energy measurements using Type Ia supernovae (SNe Ia). We describe a survey strategy that use six filters (RZYJH and F) and the prism on the Roman Wide Field Instrument. This survey has two tiers, one "wide" which targets SNe Ia at redshifts up to 1 and one "deep" targeting redshifts up to 1.7; for each, four filters are used (with Y and J used in both tiers). We propose one field each in the north and south continuous viewing zones, and expect to obtain high-quality distances of $\sim$12,000 SNe Ia with $\sim$5,000 at z > 1. We propose a wide-tier area of $\sim$19 deg$^2$ and a deep tier of $\sim$5 deg$^2$. Exposure times range from 100 s to 900 s for imaging and 900 s to 3600 s for the prism. These exposure times would reach $\sim$25.5 mag and $\sim$26.5 mag for the wide and deep tiers respectively, with deep co-add stacks reaching $\sim$28 mag and $\sim$29 mag. The total survey spans two years, with a total allocation time of six months, and a cadence of $\sim$5 days.

研究の動機と目的

• ローマ宇宙望遠鏡に対して、0.5 < z < 2.0 の範囲で正確なダークエネルギー測定を可能にする標準参照SN Iaサーベイを動機づける。
• WFI六つの広帯域フィルターと分光のプリズムを用いた二層式のWide/Deep高緯度時間領域サーベイを説明する。
• SNANAベースのシミュレーションに基づく像観測で約3 mmag距離推定精度をビンごとに達成するための場の選択、スライド戦略、露出計画を提供する。
• 提案サーベイのSN Ia収量と宇宙論パラメータ感度を予測し、ミッション全体の要件を満たすかを評価する。

提案手法

• 六つのWFIフィルター（F062, F087, F106, F129, F158, F184）と低分解能プリズムを使用した二層設計（Wide および Deep）。
• 訪問間約5日、総期間2年半、1訪問あたり約100点 Exposure、対象物あたり約125観測を想定したカデンス。
• CANDELSベースのホスト星雲ライブラリとSALt2光曲線モデリングをIR近傍まで拡張し、SNANAを用いてSN Iaの収量をシミュレーション、S/Nおよび位相カットを適用してSN Iaを選択。
• 像観測での約3 mmag距離モジュール精度（ビンあたり0.1 mag）と分光でのビンあたり0.06 magを達成するために必要な赤shift binごとのSN数を推定。
• 代替のプリズム時間比率（10–75%）とそれが面積、深さ、宇宙論への影響に与える影響を評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ローマの高緯度タイムドメインサーベイをWide/Deepの二層戦略で実施すると、0 < z < 2 において w0 および wa の約6 mmag 逸脱感度を達成できるか。
• RQ2 最適な場の選択、カデン Pattern、分光比率をどのように設定すればシステムaticsを抑えつつSN Ia収量を最大化できるか。
• RQ3 提案サーベイの枠組み内で、標目の宇宙論パラメータ精度を達成するには、何個のSN Ia（どの赤方偏移分布が必要か）か。

主な発見

• おおよそ12,000個のSN Iaが見込まれ、カット後にWide層で8,861、Deep層で3,610、z > 1 におけるSN Iaは5,197。
• 25%のプリズム分光時間のノミナル計画では、カット後に12,324個のSN Iaと147個のコアーカス遭遇者が得られる。
• 赤方偏移分布は z > 1 のSN Iaの比率が高く、w0–wa に対する高赤方偏移のレバレッジを示唆。
• ローマと低赤方偏移の像データを組み合わせた距離不確実性は赤方偏移とともに定量化され、ローマ域で約4ビンに渡る4ビンで約3 mmag per-bin精度を達成する現実性を示唆。
• 分析の結果、提案サーベイおよび代替戦略で宇宙論的目標は達成可能だが、サーベイ時間または面積を削減する余地は限られている。