[논문 리뷰] A Reference Survey for Supernova Cosmology with the Nancy Grace Roman Space Telescope

Benjamin Rose, C. Baltay외 34명|arXiv (Cornell University)|2021. 11. 04.

Astronomical Observations and Instrumentation참고 문헌 2인용 수 28

한 줄 요약

이 논문은 Roman Space Telescope를 위한 두 계층의 High-latitude Time Domain 관측 설계를 제시하여 SN Ia 우주론에서 w0–wa의 민감도를 약 6 mmag으로 달성하고, 이미징 및 프리즘 분광 전략, 영역 선택, 은하 표본의 주기, 예상 SN 수를 상세히 다룬다.

ABSTRACT

This note presents an initial survey design for the Nancy Grace Roman High-latitude Time Domain Survey. This is not meant to be a final or exhaustive list of all the survey strategy choices, but instead presents a viable path towards achieving the desired precision and accuracy of dark energy measurements using Type Ia supernovae (SNe Ia). We describe a survey strategy that use six filters (RZYJH and F) and the prism on the Roman Wide Field Instrument. This survey has two tiers, one "wide" which targets SNe Ia at redshifts up to 1 and one "deep" targeting redshifts up to 1.7; for each, four filters are used (with Y and J used in both tiers). We propose one field each in the north and south continuous viewing zones, and expect to obtain high-quality distances of $\sim$12,000 SNe Ia with $\sim$5,000 at z > 1. We propose a wide-tier area of $\sim$19 deg$^2$ and a deep tier of $\sim$5 deg$^2$. Exposure times range from 100 s to 900 s for imaging and 900 s to 3600 s for the prism. These exposure times would reach $\sim$25.5 mag and $\sim$26.5 mag for the wide and deep tiers respectively, with deep co-add stacks reaching $\sim$28 mag and $\sim$29 mag. The total survey spans two years, with a total allocation time of six months, and a cadence of $\sim$5 days.

연구 동기 및 목표

• 0.5 < z < 2.0 구간에서 정밀한 다크 에너지 측정을 가능하게 하기 위한 Roman Space Telescope의 참조 SN Ia 설문 조사를 동기 부여한다.
• WFI 여덟 개 중 여섯 개 필터(F062, F087, F106, F129, F158, F184)와 저해상도 프리즘을 이용한 두 단계의 Wide/Deep High-latitude Time Domain 설계를 설명한다.
• SNANA 기반 시뮬레이션에 따른 SN Ia 수 간의 필요 관측을 제시하고, SNANA 기반 시뮬레이션에 맞춰 SN Ia를 선택하기 위한 S/N 및 위상 절단을 포함한 노출 계획을 제공한다.
• 제안된 설계가 미션 수준 요건을 충족하는지 평가하기 위해 적정한 redshift bin에서의 SN 수 예측 및 우주론 매개변수 민감도를 예측한다.

제안 방법

• 여섯 개의 WFI 필터 중 여덟 개 중에서 선택(F062, F087, F106, F129, F158, F184)과 저해상도 프리즘을 사용한 이중 계층 설계.
• 방문 간 주기: 약 5일 간격으로 2년 간의 총 설문 중 약 100 포인팅당 방문, 객체당 약 125회의 관측.
• CANDELS 기반 호스트-은하 라이브러리와 SNANA을 사용한 SN Ia 수를 모의하되 LIght-curve 모델링은 SALT2를 확장하여 근적외선까지 포함하고 S/N 및 위상 절단을 통해 SN Ia를 선택.
• 이미징(적분 거리 모듈성 약 0.1 mag per bin) 및 분광학(0.06 mag per bin)에서 ~3 mmag 거리 모듈러스 정밀도를 달성하기 위한 적정 SN 수를 redshift bin별로 추정한다.
• 대체 프리즘 시간 비율(10–75%)가 면적, 깊이 및 우주론에 미치는 영향을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 로마의 High-latitude Time Domain 설계가 Wide/Deep 이중 전략으로 0 < z < 2에서 ~6 mmag의 w0 및 wa 편차 민감도에 도달할 수 있는가?
• RQ2 시스템오류를 제어하면서 SN Ia 수를 극대화하기 위한 최적의 필드 선택, 주기 패턴, 분광 비율은 무엇인가?
• RQ3 제안된 설계 프레임워크 내에서 목표 우주론 매개변수 정밀도를 달성하기 위해 필요한 SN Ia 수(및 적절한 redshift 분포)는 얼마인가?

주요 결과

• 약 12,000개의 SN Ia가 기대되며, 컷 이후 Wide 계층에서 8,861개, Deep 계층에서 3,610개, z > 1인 SN Ia 5,197개를 포함한다.
• 25% 분광 스펙트로스코피 시간 계획에서 컷 이후 총 12,324개의 SN Ia와 147명의 코어-콜랩스 간섭자(Interloper)가 얻어진다.
• 적색편이 분포에서 z > 1의 SN Ia 비율이 크게 나타나 High-z 활용이 w0–wa에 기여함을 시사한다.
• Roman + 저자 근처의 시각 자료를 결합한 거리 모듈러스 불확실성은 ~3 mmag per-bin 정밀도를 로마 범위의 약 4개 bin으로 달성하는 가능성을 제시한다.
• 제안된 설계와 대체 전략으로 우주론 목표를 달성할 수 있으나, 설문 시간이나 영역 축소에 대한 여지가 제한적임을 시사한다.