[論文レビュー] FOBOS: A Next-Generation Spectroscopic Facility at the W. M. Keck Observatory

Kevin Bundy, Kyle B. Westfall+39 more|arXiv (Cornell University)|Jul 16, 2019

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 9被引用数 13

ひとこと要約

FOBOSは、LSST、Euclid、WFIRSTなどの次世代パンorマティック・サーベイのための深く広域の分光的フォローアップを満たすために、Keck II望遠鏡に次世代の繊維ベース分光施設を提案する。Keckの10m口径を活用し、Starbugポジショナを備えた1,800本のファイバーを設置することで、PFSに比べ1.7倍のサーベイ速度と独自のUV感度（0.31–1.0 μm）を実現し、銀河進化、ミルキーウェイのハロー研究、正確な光度赤方偏移を用いた宇宙論的制約のための高多重、深さのある分光観測を可能にする。

ABSTRACT

High-multiplex and deep spectroscopic follow-up of upcoming panoramic deep-imaging surveys like LSST, Euclid, and WFIRST is a widely recognized and increasingly urgent necessity. No current or planned facility at a U.S. observatory meets the sensitivity, multiplex, and rapid-response time needed to exploit these future datasets. FOBOS, the Fiber-Optic Broadband Optical Spectrograph, is a near-term fiber-based facility that addresses these spectroscopic needs by optimizing depth over area and exploiting the aperture advantage of the existing 10m Keck II Telescope. The result is an instrument with a uniquely blue-sensitive wavelength range (0.31-1.0 um) at R~3500, high-multiplex (1800 fibers), and a factor 1.7 greater survey speed and order-of-magnitude greater sampling density than Subaru's Prime Focus Spectrograph (PFS). In the era of panoramic deep imaging, FOBOS will excel at building the deep, spectroscopic reference data sets needed to interpret vast imaging data. At the same time, its flexible focal plane, including a mode with 25 deployable integral-field units (IFUs) across a 20 arcmin diameter field, enables an expansive range of scientific investigations. Its key programmatic areas include (1) nested stellar-parameter training sets that enable studies of the Milky Way and M31 halo sub-structure, as well as local group dwarf galaxies, (2) a comprehensive picture of galaxy formation thanks to detailed mapping of the baryonic environment at z~2 and statistical linking of evolving populations to the present day, and (3) dramatic enhancements in cosmological constraints via precise photometric redshifts and determined redshift distributions. In combination with Keck I instrumentation, FOBOS also provides instant access to medium-resolution spectroscopy for transient sources with full coverage from the UV to the K-band.

研究の動機と目的

• LSST、Euclid、WFIRSTなどの次世代広域画像サーベイのための高多重、深さのある分光的フォローアップの緊急なニーズに対応すること。
• 既存のKeck II 10m望遠鏡を活用し、コスト効果的で短期間での実現が可能な解決策を提供し、PFSに比べ1.7倍のサーベイ速度を達成すること。
• 高密度で深い分光観測データセットを提供することで、銀河形成、ミルキーウェイおよびローカルグループのハロー構造、および正確な光度赤方偏移を用いた宇宙論的制約の分野で画期的な科学的成果をもたらすこと。
• MSE や SpecTel のような将来の大規模施設の技術的試験台として機能させ、柔軟でモジュラーなファイバー位置決めおよびデータシステムの開発を進める。
• 米国主導の広域分光観測へのアクセスを確保するため、米国で運用され、米国コミュニティの専用支援を受ける施設として運営すること。

提案手法

• Keck II望遠鏡に1,800本のファイバーを備えたファイバー駆動分光計を設置し、面積全体にわたる多重性と感度を最大化すること。
• AAOが開発したStarbugファイバー位置決め装置を活用し、動的で再設定可能なターゲット割り当てと柔軟なペイロード統合を実現すること。
• R ~ 3,500で広い青感度範囲（0.31–1.0 μm）を最適化することで、PFSでは実現できない独自のUV分光観測を可能にすること。
• 20弧分径のフィールドにわたって25台の展開可能で統合型フォールドユニット（IFUs）を備えた柔軟な焦点面を設け、多様な科学的課題に応える空間分解能分光観測を可能にすること。
• 既存のKeck Iの機器を活用し、UVからKバンドにわたり、一時的で中分解能の分光観測を迅速に実施できること。
• SDSS、DESI、MaNGAのデータパイプラインを基盤として、ドップラーシフトや発光線強度といった高レベルの科学的製品を提供する、堅牢で使いやすいデータ分析パイプライン（DAP）の開発を進める。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 次世代分光施設は、PFSのような既存の機器に比べ、コスト効果的でありながら、はるかに高いサーベイ速度と深い感度をどのように達成できるか？
• RQ2 0.31–1.0 μmのUV感度は、高赤方偏移銀河の光度赤方偏移補正と発光線診断にどのように寄与するか？
• RQ3 微弱なターゲット（i_AB ~ 25）に対する高多重で深い分光観測は、ミルキーウェイおよびローカルグループ研究のための信頼性の高い星のパラメータトレーニングセットをどのように構築可能にするか？
• RQ4 FOBOSの高精度分光観測データセットと将来の全天画像サーベイ（例：LSST、Euclid）との相乗効果は、相互相関と光度赤方偏移補正を通じて、宇宙論的制約をどの程度向上させるか？
• RQ5 Starbugsのような柔軟でモジュラーなファイバー位置決めシステムは、MSE や SpecTel のような将来の大規模分光観測施設のためのコスト効果的な技術開発を可能にするか？

主な発見

• FOBOSは、平均で1回のスキャンで6 arcmin⁻²のスケーリング密度を達成し、密着配置により理論的最大で約30 arcmin⁻²に達する。これにより、微弱で高密度のターゲット領域の効率的な観測が可能になる。
• PFSのより広い視野にもかかわらず、優れた感度と最適化された多重性のおかげで、FOBOSはPFSに比べ1.7倍のサーベイ速度を実現する。
• 0.31–1.0 μmの独自のUV感度を提供し、PFSの0.38–1.25 μm範囲を上回る。これにより、高赤方偏移銀河および星の集団の重要な診断が可能になる。
• 柔軟な焦点面は、20弧分径のフィールドにわたって25台の展開可能で統合型フォールドユニット（IFUs）をサポートし、多様な科学的課題に応える空間分解能分光観測を可能にする。
• FOBOSは、2018年から2025年までの概念的および予備設計フェーズで約640万ドルの予算が見込まれ、2025年から2028年にかけての本格的建設と統合が計画されており、中規模のMsRI-2適合機器として位置づけられる。
• WMKOからフェーズAの資金が提供され、Keck科学ステアリング委員会からも設計フェーズの完全な承認を受け、今後のNSF MSIPおよびMsRI資金獲得に向けた技術的・科学的準備の整備が確認された。