[論文レビュー] WEAVE-QSO: A Massive Intergalactic Medium Survey for the William Herschel Telescope

Matthew M. Pieri, Silvia Bonoli+13 more|arXiv (Cornell University)|Nov 28, 2016

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用数 33

ひとこと要約

WEAVE-QSOは、ウィリアム・ハーシェル望遠鏡を用いて、6,000 deg²の領域で赤方偏移z > 2の約40万個の高赤方偏移クェーサーを観測する大規模な分光観測計画であり、J-PASおよびGaiaのデータを活用して、ターゲットの完成度がほぼ100％に近づく。この計画により、バリオン音響振動の高精度な測定、ダークエネルギーおよびニュートリノ質量の制約、高分解能のLyαフォレストおよび金属線吸収線を通じた宇宙間媒体および銀河フィードバックの詳細な研究が可能となる。

ABSTRACT

In these proceedings we describe the WEAVE-QSO survey, which will observe around 400,000 high redshift quasars starting in 2018. This survey is part of a broader WEAVE survey to be conducted at the 4.2m William Herschel Telescope. We will focus on chiefly on the science goals, but will also briefly summarise the target selection methods anticipated and the expected survey plan. Understanding the apparent acceleration in the expansion of the Universe is one of the key scientific challenges of our time. Many experiments have been proposed to study this expansion, using a variety of techniques. Here we describe a survey that can measure this acceleration and therefore help elucidate the nature of dark energy: a survey of the Lyman-alpha forest (and quasar absorption in general) in spectra towards z>2 quasars (QSOs). Further constraints on neutrino masses and warm dark matter are also anticipated. The same data will also shed light on galaxy formation via study of the properties of inflowing/outflowing gas associated with nearby galaxies and in a cosmic web context. Gas properties are sensitive to density, temperature, UV radiation, metallicity and abundance pattern, and so constraint galaxy formation in a variety of ways. WEAVE-QSO will study absorbers with a dynamic range spanning more than 8 orders of magnitude in column density, their thermal broadening, and a host of elements and ionization species. A core principal of the WEAVE-QSO survey is the targeting of QSOs with near 100% efficiency principally through use of the J-PAS (r < 23.2) and Gaia (r < 20) data.

研究の動機と目的

• 高赤方偏移クェーサーのLyαフォレストにおけるバリオン音響振動（BAO）を測定し、ダークエネルギーおよび宇宙の膨張歴史を制約すること。
• 8個以上のオーダーの幅広い吸収断面密度範囲にわたる、高分解能・高信号対雑音比分光観測を通じて、宇宙間媒体（IGM）の物理的状態を解明すること。
• 金属線吸収線および運動学的特徴を用いて、宇宙の網構造環境下でのガスの流入・流出を分析することで、銀河形成およびフィードバックを研究すること。
• Lyαフォレスト透過率および金属線パターンを用いて、2 < z < 3の領域における電離源（クェーサーおよび星形成銀河）の分布を独立して制約すること。
• J-PASおよびGaiaの多バンド画像データを用いて、クェーサーのターゲティングにおいてほぼ100％の完成度と純度を達成し、大規模な分光観測を効率的に行えるようにすること。

提案手法

• 4.2mのウィリアム・ハーシェル望遠鏡に搭載されたWEAVE分光計を用い、3.1 deg²の視野に1,000本のファイバーを配置し、R = 5,000およびR = 20,000の分解能で観測を行う。
• J-PASの狭帯域画像観測（r < 23.2）およびGaia（r ≲ 20）の色-色カットと光度赤方偏移を用いて、赤方偏移z > 2のクェーサーをターゲットとし、重複領域6,000 deg²で95％の完成度と純度を達成する。
• クェーサー同定の妥当性を確認するため、BOSS宇宙論モックから得た500個のQSOテンプレート（実際のLyαフォレスト吸収を再現）を用いた自動および視覚的検査手法を適用する。
• LyαフォレストでS/N/Å > 0.5を達成する、明るさr < 23.2の微弱クェーサーの深さ・広がり観測を実施し、S/N/Å = 7の明るいクェーサー補足調査（r < 20）を実施して、一部の領域で高分解能研究を可能にする。
• WEAVEの高スペクトル分解能および高信号対雑音比を活用し、幅広い吸収断面密度範囲にわたるIGM吸収体の熱的幅およびイオン化状態、金属線パターンを測定する。
• ターゲティングの高精度性およびファイバー効率（約1時間の再設定時間）を活かし、ターゲット赤方偏移および明るさ範囲内でのクェーサーに対して、ワンパスでほぼ100％の完成度を達成する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高赤方偏移クェーサーのLyαフォレストは、ダークエネルギーおよび宇宙の膨張歴史を制約するための高精度なバリオン音響振動測定を可能にするか？
• RQ2 吸収断面密度に8個以上のオーダーの広い範囲をカバーする際、宇宙間媒体（IGM）の物理的状態（密度、温度、金属量、イオン化状態）はどのように特定できるか？
• RQ3 ガス吸収体の運動学的性質および金属量は、z > 2の領域で銀河形成、フィードバック、および宇宙の網構造の特徴をどのように示すか？
• RQ4 Lyαフォレストおよび金属線統計を用いて、2 < z < 3の領域における電離源（クェーサーおよび星形成銀河）の分布と進化にどのような制約を課すことができるか？
• RQ5 J-PASおよびGaiaのような光度調査は、大規模分光観測において、クェーサーのターゲティングでほぼ100％の完成度と純度を達成するのにどの程度有効であるか？

主な発見

• WEAVE-QSO計画では、6,000 deg²の領域で、r < 23.2の高赤方偏移クェーサー（z > 2.7）約35万個を観測し、LyαフォレストでS/N/Å > 0.5を達成する。
• r < 20の明るいクェーサー（z > 2.1）約5万個を追加で観測し、S/N/Å = 7を達成することで、一部のフィールドで高分解能研究が可能となる。
• J-PASおよびGaiaのデータを用いたターゲティングにより、赤方偏移2.2 < z < 2.9の範囲でクェーサーの完成度と純度が95％に達し、視覚的検査によりほぼ完璧な同定性能が確認された。
• 1時間のファイバー再設定時間に支えられたワンパス観測モードにより、全領域にわたりクェーサーのターゲティングでほぼ100％の効率が達成される。
• 高スペクトル分解能（R = 20,000）と高信号対雑音比を組み合わせることで、IGM吸収体の熱的幅およびイオン化状態の精密測定が可能となる。
• 本調査は、2 < z < 3の領域における電離源の分布に関する独立した制約を提供し、再イオン化期およびIGM加熱の理解を深める。