[論文レビュー] The Whole is Greater than the Sum of the Parts: Optimizing the Joint Science Return from LSST, Euclid and WFIRST

Bhuvnesh Jain, D. Spergel+27 more|arXiv (Cornell University)|Jan 30, 2015

Astronomy and Astrophysical Research参考文献 8被引用数 30

ひとこと要約

本論文は、LSST、Euclid、WFIRSTの3つの宇宙望遠鏡からのデータを統合して、共同で宇宙論的および天体物理学的科学の成果を最大化するための協働的科学的分析フレームワークを提案する。多波長・多解像度の光度測定とミッション間の共同シミュレーションを統合することで、ピクセルレベルのデータ統合が、ダークエネルギー、弱引力レンズ、光度赤方偏移、大規模構造の高精度測定を可能にし、個々のミッションの能力をはるかに超える相乗効果をもたらすことを示している。

ABSTRACT

Astronomy in 2024 should be very exciting! LSST and Euclid, which should each be in the midst of their deep surveys of the sky, will be joined by WFIRST. With higher resolution and sensitivities than previous astronomical survey instruments, they will reveal new insights into areas ranging from exoplanets to the nature of dark energy. At the same time, JWST will be staring deeper into the early universe than ever before. Advanced LIGO should be detecting frequent collisions between neutron stars. ALMA will be operating at all of its planned frequencies, and the new generation of very large optical ground based telescopes should be revolutionizing ground-based optical astronomy. In parallel, advances in computational capabilities should enable observers to better exploit these complex data sets and theorists to make detailed time-dependent three-dimensional models that can capture much of the physics needed to explain the new observations. The focus of this report is an exploration of some of the opportunities enabled by the combination of LSST, Euclid and WFIRST, the optical surveys that will be an essential part of the next decade’s astronomy. The sum of these surveys has the potential to be significantly greater than the contributions of the individual parts. As is detailed in this report, the combination of these surveys should give us multi-wavelength highresolution images of galaxies and broadband data covering much of the stellar energy spectrum. These stellar and galactic data have the potential of yielding new insights into topics ranging from the formation history of the Milky Way to the mass of the neutrino. However, enabling the astronomy community to fully exploit this multi-instrument data set is a challenging technical task: for much of the science, we will need to combine the photometry across multiple wavelengths with varying spectral and spatial resolution. Coordination will be needed between the LSST, Euclid, and WFIRST projects in order to understand the trades between overlapping areal coverage, filter design, depth and cadence of the observations, and performance of the image analysis algorithms. We will need to provide these data to the community in a highly usable format. If we do not prepare the missions for this task in advance, we will limit their scientific return and increase the cost of the eventual effort of fully exploiting these data sets. The goal of this report is to identify some of the science enabled by the combined surveys and the key technical challenges in achieving the synergies.

研究の動機と目的

• 単一ミッションの能力の合計を上回る、LSST、Euclid、WFIRSTのデータを統合することによる科学的利点を特定および定量化すること。
• 地上および宇宙に設置された調査において、異なるスペクトル的および空間的解像度を有する、多波長・多解像度の光度測定を統合する技術的課題に取り組むこと。
• 科学的帰結を最大化し、重複作業を最小限に抑えるために、協働的なデータ管理、シミュレーションフレームワーク、共同分析パイプラインを推進すること。
• 弱引力レンズや光度赤方偏移の誤差に及ぼすバリオン物理学的効果といったシステムティクスを共同でモデル化することで、高精度な宇宙論を実現すること。
• 共同データ処理、キャリブレーション、一般公開データリリースのための協働的フレームワークを確立し、コミュニティ全体のアクセスと科学的効率を確保すること。

提案手法

• LSST、Euclid、WFIRSTの重複する調査データをピクセルレベルで共同分析することで、高精度な宇宙論的測定を可能にする。
• 全天空カバレッジと3つのミッションの波長域および解像度にわたる現実的な源分布を含む、共同の宇宙論的シミュレーションを提唱する。
• 機器およびパイプライン固有のシミュレーションを推奨し、入力シーン生成の整合性を保つことで、ミッション間で一貫した対象の性質と誤差モデル化を実現する。
• 共通の入力データフォーマットと一貫した対象カタログの必要性を強調し、光度赤方偏移、歪み、数密度のミッション間比較を可能にする。
• 宇宙望遠鏡のデータを用いたカタログレベルのキャリブレーション戦略を含むハイブリッド分析戦略を概説し、LSSTのデブレンドと歪み測定の精度向上を図る。
• 共同分析を調整するための中央集権的な科学センターの重要性を強調し、シミュレーションの管理、完全な文書化を伴う一般公開データリリースを確保する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LSST、Euclid、WFIRSTの統合データは、単一ミッションの能力を上回る、どのようにしてより高い宇宙論的精度を達成できるか？
• RQ2 重複する天の川領域において、共同科学帰結を最大化する最適な観測戦略（例：スケジューリング、深さ、フィルタ設計）は何か？
• RQ3 宇宙論的および機器応答効果の共同シミュレーションは、弱引力レンズおよび光度赤方偏移測定の正確性をどのように向上させるか？
• RQ4 異なるスペクトル的および空間的解像度を持つミッション間で、ピクセルレベルのデータ統合を可能にするために必要な技術的および組織的フレームワークは何か？
• RQ5 弱引力レンズや光度赤方偏移誤差に及ぼすバリオン物理学的効果といったシステムティクスを、3つの調査で共同でモデル化し、緩和するにはどうすればよいか？

主な発見

• LSST、Euclid、WFIRSTのデータを共同分析することで、特に大規模構造および弱引力レンズに関して、1%未満の精度で宇宙論的測定が可能となり、個々のミッションの能力を上回る。
• 特に高精度なレンズ効果や光度赤方偏移のキャリブレーションにおいて、3つの調査のピクセルレベルのデータ統合が、科学的潜在能力を十分に発揮するために不可欠である。
• 宇宙論的および機器応答効果の共同シミュレーションは、選択バイアス、ブレンド、誤差分布を一貫した多波長フレームワークでモデル化するために不可欠である。
• WFIRSTの高解像度近赤外データとLSSTの光学カバレッジの組み合わせにより、光度赤方偏移の精度が向上し、システムティクスが最大で2倍まで低減される。
• 協働観測（例：強引力レンズの時間遅れ、レンズ効果を受けるAGNのグリズム分光）により、ダークエネルギーおよびダークマターの新しい検証が可能となり、WFIRSTの高解像度画像が正確な時間遅れ測定を可能にする。
• 共通のシミュレーション入力と統一されたデータリリース戦略を備えた、中央集権的かつ協働的な分析フレームワークは、重複を避け、ミッション全体の科学的帰結を最大化するために不可欠である。