[논문 리뷰] A Near-Infrared Spectroscopic Survey at the SDSS 2.5-meter Telescope?

Michael F. Skrutskie, John C. Wilson|arXiv (Cornell University)|2015. 03. 31.

Astronomy and Astrophysical Research인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 기존의 파이버 및 플러그 플레이트 인프라를 활용하여 SDSS 2.5미터 망원경을 근적외선 스펙트로스코피에 적합하게 개조함으로써, 은하수 별의 고해상도(R ~ 24,000) 및 저해상도(R ~ 3,000) 조사가 가능하도록 제안한다. 파이퍼 및 코렉터 수정을 통해 망원경은 H~14 (R=3000) 및 H~12 (R=24,000)에서 30분 내로 SNR=10를 달성할 수 있으며, 이는 H밴드에서 분자의 CNO 라인을 통해 은하수 거대별의 운동학적 및 원소 조성 연구를 가능하게 한다.

ABSTRACT

We are posting this 10-year-old white paper to support an upcoming survey description paper for the SDSS-III Apache Point Galactic Evolution Experiment (APOGEE) led by PI Dr. Steven Majewski. The white paper presented here was a contribution to a 2005 "futures" planning process for the Astrophysical Research Consortium led by Dr. Donald York that examined both prospects for extending the work of SDSS and SDSS-II as well as enhancing the capabilities of the Apache Point 3.5-meter telescope and the overall scientific reach of the Consortium. This particular white paper describes the potential for using the Sloan 2.5-meter telescope and its fiber optic infrastructure to conduct a galactic plane chemical abundance survey in the low-extinction 1.6um H-band. The survey would target >1000 red giant stars per night selected from the Two Micron All Sky Survey using a >200 fiber near-infrared spectrograph operating at spectral resolution of R~24,000 with a magnitude limit of H~12 - very close to the final APOGEE implementation. A number of features suggested in the white paper did not survive to the actual survey including an R~3000 low-resolution spectral mode emphasizing kinematics to a fainter magnitude limit of K~14, a tunable high-resolution grating (retired by using three HAWAII-2RG arrays to cover most of the H-band all at once), a refrigerated optical train (the actual APOGEE is LN2 cooled), and the use of InGaAs arrays (HgCdTe remained the most mature technology at the time of construction). The white paper also suggests making the APOGEE instrument accessible to the 3.5-meter telescope at Apache Point, a project now underway.

연구 동기 및 목표

• 기존의 다중객체 파이퍼 인프라를 활용해 SDSS 2.5미터 망원경에서 근적외선 스펙트로스코피 조사를 가능하게 하기.
• 보편적인 가시광선 스펙트로스코프는 존재하지만 전용 근적외선 스펙트로스코프가 없는 상황을 해결하기.
• 적색거대별의 고해상도(R~24,000) 및 저해상도(R~3,000) 스펙트로스코피를 통해 은하수의 운동학적 및 화학적 진화를 연구하기.
• 기존 파이퍼 및 코렉터 플레이트를 수정하여 근적외선 투과도를 향상시키는 기술적 타당성 평가하기.
• 근적외선 스펙트로스코피에 있어 HgCdTe보다 비용 효율적이고 낮은 노이즈를 제공하는 InGaAs 검출기 어레이를 저비용 대안으로 평가하기.

제안 방법

• 기존의 SDSS 파이퍼 및 플러그 플레이트 시스템을 근적외선 사용에 맞게 개조하여 2미터 파이퍼 경로 및 기계적 구성 유지하기.
• 교환 가능한 두 개의 격자로 R~3,000(희미한 대상용) 및 R~24,000(고해상도) 스펙트럼 모드 제공하기.
• 스펙트럼 커버리지 0.9–1.8 μm(R=3000) 및 1.52–1.66 μm(R=24,000)로 최적화하며, 파이퍼 투과도가 90% 이상인 H밴드에 집중하기.
• 현재 파이퍼가 1.85 μm 이상에서 투과도가 40%로 떨어지므로, K밴드 관측을 위해 고-OH 파이퍼를 저-OH 파이퍼로 교체하기.
• 융합 실리카 공통 코렉터(Corning 7940/7980)를 재도금하거나 교체하여 2.0 μm 이상에서도 투과도를 향상시키고 가시광선 성능 저하를 최소화하기.
• 최근 천체 관측용으로 낮은 암전류 및 낮은 노이즈 성능을 확보한 2K x 2K InGaAs 어레이를 검출기로 사용하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기존 인프라를 활용해 SDSS 2.5미터 망원경을 근적외선 스펙트로스코피에 효과적으로 재활용할 수 있는가?
• RQ2 현재 파이퍼 및 코렉터 시스템에서 근적외선 파장에서의 투과도 제한 요소는 무엇인가?
• RQ3 수정된 구성 요소를 사용해 H~14 (R=3000) 및 H~12 (R=24,000)에서 30분 내로 SNR=10를 달성하는 것이 가능한가?
• RQ4 InGaAs 검출기 어레이가 HgCdTe보다 저렴하면서도 고해상도 근적외선 스펙트로스코피에 충분한 성능을 제공할 수 있는가?
• RQ5 고해상도(R~24,000) 스펙트로스코프를 망원경 뒷면에 장착할 때 기계적 및 열적 제약 조건은 무엇인가?

주요 결과

• 기존의 파이퍼 및 플러그 플레이트 인프라를 활용해 SDSS 2.5미터 망원경은 R~3,000 및 R~24,000 모드로 근적외선 스펙트로스코피 조사를 수행할 수 있다.
• 장파장 J밴드에서는 OH 흡수로 인해 파이퍼 투과도가 약 55%로 떨어지지만, H밴드(1.5–1.7 μm)에서는 90% 이상 유지되어 고해상도 작업에 최적의 영역이다.
• 1.85 μm 이상에서는 현재 고-OH 파이퍼의 투과도가 약 40%에 불과하므로, K밴드 관측을 위해 저-OH 파이퍼로의 교체가 필수적이다.
• 공통 코렉터의 가시광선 최적화 코팅은 2.0 μm 이상에서 투과도를 제한하지만, 재도금 또는 교체가 가능하며 가시광선 성능에 미치는 영향은 최소한이다.
• 2K x 2K 형식의 InGaAs 어레이는 낮은 암전류 및 양호한 노이즈 성능을 제공하므로 스펙트로스코프에 실용적으로 적용 가능하며, 구현 시점에 맞춰 확보 가능할 것으로 기대된다.
• 1.52–1.66 μm 범위를 커버하는 고해상도 모드(R~24,000)는 H~12에서 30분 내로 SNR=10를 달성할 수 있으며, 이는 적색거대별의 CNO 라인 정밀 농도 측정을 가능하게 한다.