[論文レビュー] Chronos: A NIR spectroscopic galaxy survey. From the formation of galaxies to the peak of activity

Ignacio Ferreras, R. M. Sharples+31 more|arXiv (Cornell University)|Jun 26, 2013

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 8被引用数 5

ひとこと要約

Chronosは、L2で5年間運用する2.5mの宇宙望遠鏡を提案しており、8台のマルチオブジェクトNIR分光計（R ~ 1500）を搭載し、DMDを用いて標的を選択することで、z ~ 1からz ~ 12の範囲で約200万個の銀河に対する深宇宙分光調査を可能にする。これにより、銀河形成の鍵となる問題、すなわち星形成歴、AGNフィードバック、宇宙時間にわたる化学的進化を解明する。

ABSTRACT

Chronos is our response to ESA's call for white papers to define the science for the future L2, L3 missions. Chronos targets the formation and evolution of galaxies, by collecting the deepest NIR spectroscopic data, from the formation of the first galaxies at z~10 to the peak of formation activity at z~1-3. The strong emission from the atmospheric background makes this type of survey impossible from a ground-based observatory. The spectra of galaxies represent the equivalent of a DNA fingerprint, containing information about the past history of star formation and chemical enrichment. The proposed survey will allow us to dissect the formation process of galaxies including the timescales of quenching triggered by star formation or AGN activity, the effect of environment, the role of infall/outflow processes, or the connection between the galaxies and their underlying dark matter haloes. To provide these data, the mission requires a 2.5m space telescope optimised for a campaign of very deep NIR spectroscopy. A combination of a high multiplex and very long integration times will result in the deepest, largest, high-quality spectroscopic dataset of galaxies from z=1 to 12, spanning the history of the Universe, from 400 million to 6 billion years after the big bang, i.e. covering the most active half of cosmic history.

研究の動機と目的

• 最初の銀河（z ~ 10）から、星形成ピーク（z ~ 1–3）までの宇宙時間にわたる銀河形成と進化を理解すること。
• 大規模で代表的な銀河サンプルの高分解能・高感度NIR分光計測により、バリオン物理学と銀河構築に関する理解の空白を埋めること。
• 宇宙論焦点のミッション（例：Euclid、Planck）と標的調査（例：Gaia）の間の欠落要因を補完し、星族とフィードバックプロセスに関する深宇宙で高品質な分光データを提供すること。
• 金属量勾配、[α/Fe]比、初期質量関数の変動といった詳細な星族特性を測定することで、「銀河考古学」を可能にすること。
• AGNおよび超新星フィードバックによって引き起こされる消滅時間スケールを定量化し、環境およびダークマターハローが銀河進化に果たす役割を調査すること。

提案手法

• SiCまたはCFRPで作られた2.5mの宇宙望遠鏡で、KorschまたはRitchey-Chrétien光学設計を採用し、質量と熱的歪みを最小限に抑える。
• Texas InstrumentsのDMDを用いて、各チャネルで最大600個の銀河を動的かつ高スループットで標的に選択可能な8台のマルチオブジェクト分光計。
• 0.9–1.8 µmの波長域で60線/mmの回折格子と4k×4kのHgCdTe赤外アレイを用い、屈折コリメータとカメラを組み合わせて最適なスループットを実現。
• 対称的に配置された開口部を用いたステップ・アンド・スタア方式を採用し、約0.2 deg²の視野で天の川を連続的にタイル化。
• 8台の分光計で合計約4800の標的を同時に観測可能であり、H_AB ~ 26 magまでの微弱銀河を同時に観測可能。
• L2で5年間自律的に運用され、1日あたり約50 GBのデータダウンリンクが行われ、専用のデータモデルとアーカイブシステムにより処理される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 銀河の星形成歴と質量蓄積歴の間には、宇宙時間にわたってどのような関係があるか？
• RQ2 AGNおよび超新星フィードバックによって引き起こされる銀河の消滅時間スケールは何か？また、環境によってどのように変化するか？
• RQ3 再イオン化の起源は何か？最初の銀河はそれに対してどのように寄与しているか？
• RQ4 金属量-質量関係、[α/Fe]比、個々の元素の過剰度は、赤方偏移z ~ 1からz ~ 12の間でどのように進化するか？
• RQ5 星形成モードに応じて初期質量関数はどのように変化するか？また、それは銀河形成プロセスに何を明らかにするか？

主な発見

• このミッションは、z ~ 1からz ~ 12の銀河に対する、これまでで最も深く、最大規模かつ最高品質のNIR分光データセットを提供する。これは、ビッグバン後400 Myrから6 Gyrの間、宇宙史上で最も活発な半分の期間をカバーする。
• 約4800の標的をマルチプレックスとして扱い、H_AB ~ 26 magの限界で、約200万個の銀河に対して高SNR・中分解能分光スペクトルを取得可能。
• DMDの使用により、各分光計チャネルで約600個の銀河を動的かつ高スループットで標的に選択でき、スペクトルクロストークを最小限に抑え、観測効率を最大化。
• ミッションの運用モデルにより、L2で継続的かつ自律的な観測が可能となり、1日あたり約50 GBのデータダウンリンクが確保され、スケーラブルなデータ処理とアーカイブ配布が可能。
• 銀河の星族特性を、これまでにない精度で解明し、消滅時間スケールとフィードバック効率の定量的測定を可能にする。
• ミッションの費用は12.3億ユーロと推定され、DMDおよびその他の主要技術のTRL段階の段階的向上を含む開発計画が策定されている。