[論文レビュー] LSST Observing Strategy White Paper: LSST Observations of WFIRST Deep Fields

R. J. Foley, Anton M. Koekemoer+39 more|arXiv (Cornell University)|Nov 30, 2018

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 4

ひとこと要約

このホワイトペーパーは、LSSTが2年間にわたりWFIRST超新星調査の深紫外・赤外フィールドを協調してミニサーベイすることを提案している。LSSTの観測周期はWFIRSTの5日間のサイクルに一致させ、$ugrizy$フィルターで合計深度が約28–29 magに達する。この戦略により、Ia型超新星の光学・近赤外光曲線の共同解析が可能となり、距離の精度が著しく向上し、宇宙論的および銀河外天文学分野における赤方偏移測定と瞬間的天体の科学が飛躍的に進展する。

ABSTRACT

The Wide-Field Infrared Survey Telescope (WFIRST) is expected to launch in the mid-2020s. With its wide-field near-infrared (NIR) camera, it will survey the sky to unprecedented detail. As part of normal operations and as the result of multiple expected dedicated surveys, WFIRST will produce several relatively wide-field (tens of square degrees) deep (limiting magnitude of 28 or fainter) fields. In particular, a planned supernova survey is expected to image 3 deep fields in the LSST footprint roughly every 5 days over 2 years. Stacking all data, this survey will produce, over all WFIRST supernova fields in the LSST footprint, ~12-25 deg^2 and ~5-15 deg^2 regions to depths of ~28 mag and ~29 mag, respectively. We suggest LSST undertake mini-surveys that will match the WFIRST cadence and simultaneously observe the supernova survey fields during the 2-year WFIRST supernova survey, achieving a stacked depth similar to that of the WFIRST data. We also suggest additional observations of these same regions throughout the LSST survey to get deep images earlier, have long-term monitoring in the fields, and produce deeper images overall. These fields will provide a legacy for cosmology, extragalactic, and transient/variable science.

研究の動機と目的

• LSSTの観測をWFIRST超新星調査のサイクルに合わせることで、Ia型超新星の光学（LSST）および近赤外（WFIRST）の光曲線を共同で取得すること。
• LSSTの$ugrizy$フィルターで、WFIRSTの深紫外・赤外フィールドと同等の合計深度（約28–29 mag）を達成し、宇宙論的および銀河外天文学的科学の協調効果を最大化すること。
• 高分解能のWFIRST画像とLSSTの深紫外・赤外カバレッジを組み合わせることで、赤方偏移測定の精度を向上させ、デゲネラシーを低減し、銀河の分離を改善すること。
• WFIRSTのHLSグリズム調査のキャリブレーションを支援するため、重複する領域で深紫外・赤外カバレッジを持つ複数回の観測データを提供すること。
• 微弱な明るさの領域における瞬間的天体モニタリング、宇宙論的調査、多波長源特徴抽出のための持続的レガシーデータセットを構築すること。

提案手法

• LSSTの10年間サーベイ内に、WFIRST超新星調査の深紫外・赤外フィールド（5–15 deg²）に限定したミニサーベイ戦略を提案し、2年間の期間にわたって実施する。
• LSSTの観測周期を、WFIRSTが計画する約5日間の繰り返し観測に合わせ、各観測で$ugrizy$フィルターすべてを含むことが望ましい。
• WFIRSTの単一エポックおよびスタックされた限界と同等の個々の露光深度と合計深度を実現する、深紫外・赤外ドリル型観測を実装する。
• WFIRST超新星調査の期間中に同時に観測を実施することで、高赤方偏移超新星の時間膨張効果を低減し、共同光曲線解析を可能にする。
• 夜間の合算画像と合算データの差分画像処理を用いて、瞬間的天体の検出と長期的モニタリングを実現する。
• LSSTとWFIRSTのデータを統合的に処理するパイプラインを推奨し、共通のソフトウェア環境でデータを統合することで、科学的利用可能性と協調効果を最大化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LSSTがWFIRSTの深紫外・赤外フィールドを観測することで、光学・近赤外光曲線の共同解析により、Ia型超新星の距離測定精度をどの程度向上できるか？
• RQ2 LSSTの観測周期と深度をどのように最適化すれば、WFIRSTの2年間超新星調査との重複と協調を最大限に高め、超新星検出と光曲線の忠実度を向上させられるか？
• RQ3 LSSTとWFIRSTのデータを統合することで、深紫外・赤外銀河外フィールドの銀河の赤方偏移測定精度はどの程度向上するか？
• RQ4 WFIRST単体と比較して、LSSTの$ugri$フィルターの追加が、高赤方偏移超新星の瞬間的天体およびダスト特性の特徴抽出にどの程度寄与するか？
• RQ5 これらのフィールドに対する長期的・深紫外・赤外モニタリングが、微弱で変動性の高い瞬間的天体の検出と解析に与える影響は何か？

主な発見

• LSSTがWFIRSTの5日間サイクルに一致させ、$ugrizy$フィルターで合計深度が約28–29 magに達する観測を実施すれば、約20,000個のIa型超新星について共同光曲線が得られ、単独で運用するいずれの望遠鏡よりも距離の精度が著しく向上する。
• 光学・近赤外光曲線の統合により、$z=0$ から $z=3$ までのレストフレーム光学追跡が可能となり、ダストの性質や固有の超新星挙動に関する系統的検証が可能になる。
• 協調サーベイにより、$z<1$ のSNe Ia約8,000個が検出可能であり、$0.45<z<0.55$ および $0.95<z<1.05$ の赤方偏移領域では、約1,000個の距離モジュラス不確実性が0.05 mag未満にまで低下し、宇宙論の主要な目標を満たす。
• このフィールドでは、WFIRSTのHLSフラックス限界で99.9%の純度の赤方偏移測定が可能であり、22 deg²の深紫外・赤外グリズムス toward が計画されており、調査のキャリブレーションに使用される。
• この戦略により、LSST全サーベイ時間の1.5%（474時間）をこのフィールドに割り当て、単独のLSSTまたはWFIRSTサーベイよりも深く、均一性の高いカバレッジが得られるレガシーデータセットが生成される。
• 提案される手法により、高分解能のWFIRST画像と深紫外・赤外LSST光学データを統合することで、赤方偏移測定のデゲネラシーが低減され、銀河の分離と源の特徴抽出が向上する。