[論文レビュー] The Science Case for Multi-Object Spectroscopy on the European ELT

C. J. Evans, M. Puech+69 more|arXiv (Cornell University)|Jan 20, 2015

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers参考文献 2被引用数 32

ひとこと要約

このホワイトペーパーは、欧州 Extremely Large Telescope (E-ELT) にマルチオブジェクトスペクトログラフ (MOSAIC) を導入することを提唱しており、銀河のハローから初期銀河形成に至る多様な天体物理学的分野において、高多重および高解像度のスペクトル調査を可能にする。E-ELTの類いまれな感度に加え、最近のマルチオブジェクト自己走査光学およびファイバーを用いたスカイバックグラウンド除去技術の進歩を活用することで、MOSAICは、JWSTの発見のフォローアップや高赤方偏移における大規模構造研究に不可欠な、世界最高水準のマルチオブジェクト分光装置となる。

ABSTRACT

This White Paper presents the scientific motivations for a multi-object spectrograph (MOS) on the European Extremely Large Telescope (E-ELT). The MOS case draws on all fields of contemporary astronomy, from extra-solar planets, to the study of the halo of the Milky Way and its satellites, and from resolved stellar populations in nearby galaxies out to observations of the earliest 'first-light' structures in the partially-reionised Universe. The material presented here results from thorough discussions within the community over the past four years, building on the past competitive studies to agree a common strategy toward realising a MOS capability on the E-ELT. The cases have been distilled to a set of common requirements which will be used to define the MOSAIC instrument, entailing two observational modes ('high multiplex' and 'high definition'). When combined with the unprecedented sensitivity of the E-ELT, MOSAIC will be the world's leading MOS facility. In analysing the requirements we also identify a high-multiplex MOS for the longer-term plans for the E-ELT, with an even greater multiplex (>1000 targets) to enable studies of large-scale structures in the high-redshift Universe. Following the green light for the construction of the E-ELT the MOS community, structured through the MOSAIC consortium, is eager to realise a MOS on the E-ELT as soon as possible. We argue that several of the most compelling cases for ELT science, in highly competitive areas of modern astronomy, demand such a capability. For example, MOS observations in the early stages of E-ELT operations will be essential for follow-up of sources identified by the James Webb Space Telescope (JWST). In particular, multi-object adaptive optics and accurate sky subtraction with fibres have both recently been demonstrated on sky, making fast-track development of MOSAIC feasible.

研究の動機と目的

• 多様な天体物理学的分野にわたり、欧州 Extremely Large Telescope (E-ELT) にマルチオブジェクトスペクトログラフ (MOS) を導入するにあたって、説得力のある科学的根拠を確立すること。
• 4年間にわたるコミュニティ全体での議論を経て、MOSAIC機器の統一された要件セットを定義すること。
• 星族、銀河、高赤方偏移構造の高感度・高スループットなスペクトル調査を可能にし、JWSTの対象のフォローアップを支援すること。
• 高赤方偏移で部分的に再電離された宇宙における大規模構造を調査するにあたって、1000以上の対象を同時に観測可能な高多重MOSの長期的ニーズを特定すること。
• マルチオブジェクト自己走査光学およびファイバーを用いたスカイバックグラウンド除去技術の最近の技術的実証を活用し、MOSAICの開発を加速すること。

提案手法

• MOSAICの2つの観測モードを設計：『高多重』は多数の微弱な対象を同時に観測するため、『高解像度』は詳細なスペクトル特徴を解像するため。
• 複数の対象に対して大気乱流を補正するマルチオブジェクト自己走査光学 (MOAO) を統合し、SN比と空間分解能を向上。
• 高度なファイバー駆動分光系と正確なスカイバックグラウンド除去技術を採用し、深宇宙調査における背景ノイズを最小限に抑える。
• E-ELTの39メートルの一次鏡を活用し、極めて優れた光集光能力を発揮させ、微弱で高赤方偏移の天体を検出可能にする。
• MOAOおよびファイバーを用いたスカイバックグラウンド除去の最新のスカイ実証を活用し、MOSAIC開発のリスク低減と加速を図る。
• 将来的な科学的目標（初光宇宙の研究、近傍銀河内の解像された星族の研究など）に合わせた機器設計を整える。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 E-ELTに搭載されるマルチオブジェクトスペクトログラフが、銀河から初期宇宙に至る広範な天体物理学的スケールでどのように画期的な科学的成果をもたらせるか？
• RQ2 ジェームズ・ウブ・宇宙望遠鏡 (JWST) が特定した高赤方偏移天体のフォローアップ観測を支援するにあたって、どのような機器能力が必要か？
• RQ3 科学的成果を最大化するために、『高多重』および『高解像度』という2つの最適な観測モードは、多様な対象と赤方偏移にどのように最適化されるべきか？
• RQ4 マルチオブジェクト自己走査光学およびファイバーを用いたスカイバックグラウンド除去技術を、E-ELT向けの大規模分光装置に効果的に統合する方法は何か？
• RQ5 高赤方偏移で部分的に再電離された宇宙における大規模構造を調査するにあたって、将来的に必要な機器の進化は何か？

主な発見

• MOSAIC機器は、E-ELTの類いまれな感度と口径を組み合わせることで、世界最高水準のマルチオブジェクト分光装置となる。
• MOSAICの科学的根拠は、近傍銀河内の解像された星族、銀河のハローおよびその衛星、部分的に再電離された宇宙における「初光」構造の研究など、多様な分野にわたり広がる。
• マルチオブジェクト自己走査光学およびファイバーを用いたスカイバックグラウンド除去技術の最近の技術的実証により、MOSAICの迅速かつ低リスクな開発が可能となった。
• この機器は、特に高赤方偏移銀河および初期星形成の研究において、ジェームズ・ウブ・宇宙望遠鏡が検出した天体のフォローアップに不可欠な支援を提供する。
• 高多重MOS（1000以上もの対象を同時に観測可能）は、高赤方偏移宇宙における大規模構造調査の今後の調査に不可欠であると特定された。
• コミュニティは、MOSAICの核心的要件について合意に至っており、機器設計およびE-ELT統合に向けた一貫した道筋を確立できた。