[논문 리뷰] An Overview of the SPACE Mission Proposal

Massimo Robberto, A. Cimatti외 1명|arXiv (Cornell University)|2007. 10. 22.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 1인용 수 3

한 줄 요약

SPACE는 태양-지구 L2 궤도에 위치한 1.5m 우주 망원경을 활용하여 0.8–1.8 µm 범위에서 R ~ 400의 분해능을 갖는 MEMS 기반 슬릿 분광법을 사용해 5억 개 이상의 은하에 대한 첫 번째 전천구 near-IR 분광 조사 측정을 수행할 클래스-M 우주 임무를 제안한다. 이는 적색편이 정확도가 0.001 이하인 수준에 도달하여 바리온 음향 진동(BAO)과 우주의 대규모 구조 성장에 대한 결정적인 측정을 가능하게 하며, BAO 척도에 대해 0.5% 정밀도를 제공하고 암흑 에너지 및 수정 중력 이론에 대해 사상 초월의 제약 조건을 제공할 것이다.

ABSTRACT

SPACE (SPectroscopic All-sky Cosmic Explorer) is a class-M mission proposed to ESA for the Cosmic Vision 2015-2025 call and recently promoted to the next assessment study phase. SPACE will produce the first all-sky spectroscopic survey of the Universe, taking spectra of more than 500 million galaxies over a wide range of redshifts. SPACE will operate in slit mode (MEMS) at R~400 between 0.8 and 1.8micron down to AB~23, providing redshifts to an accuracy of Delta z~0.001, regardless on the presence of bright emission lines, together with the most relevant physical and evolutionary properties. The catalog of spectroscopic redshift will allow to place the ultimate constraints on the Baryon Acoustic Oscillations and the nature of Dark Energy. By obtaining the first 3-D all-sky map of the Universe at z~2 and beyond, SPACE will trace the growth rate of cosmic structures, the large scale structure of luminous baryons and its cosmic evolution. Besides the all-sky survey, SPACE will carry out a deep extragalactic survey over an area of ~10 sq. deg., enabling a most powerful supernova search program, and a galactic plane survey in integral field mode. Approximately 30% of the time will be open. Due to its versatility, SPACE is a ``self-sufficient'' observatory which can attack and solve the most compelling questions on the nature of the Dark Energy without complementary data from the Earth or space. Its unique wide-field capabilities in the near-IR make SPACE the ideal complement to JWST, ALMA, and the future 25-50 m telescopes.

연구 동기 및 목표

• 은하계 외부 천체 전역에서 수억 개의 은하에 대해 정밀한 분광 적색편이를 제공함으로써 광도적 적색편이의 한계를 극복한다.
• 적색편이에서 0.001 이하의 정밀도로 바리온 음향 진동(BAO)을 측정하여 암흑 에너지와 우주의 기하학적 특성에 대한 가장 날카로운 제약 조건을 도출한다.
• 지금까지의 z ~ 2부터 현재까지의 대규모 구조 성장 과정을 추적하여 암흑 에너지와 수정 중력 모델 간의 차이를 구분한다.
• z > 2에서의 초기 은하, 라이먼-알파 방출체, 초기 유형의 은하를 발견하고 특성화하며, 최초의 QSO와 Ia 초신성도 포함한다.
• 5년간의 임무 기간 동안 30%의 게스트 관측자 시간을 확보하여 모든 천문학 분야에서 장기적인 데이터 마이닝이 가능한 유산 데이터셋을 구축한다.

제안 방법

• 근적외선 영역에서의 열적 및 대기적 간섭을 최소화하기 위해 태양-지구 L2 궤도에 위치한 1.5m 우주 망원경을 사용한다.
• 다중 객체 슬릿 분광법을 위해 MEMS 마이크로미러 장치를 활용하여 각 포인팅에서 약 6,000개의 은하를 동시에 관측할 수 있도록 한다. 이는 0.4 deg²의 시야를 갖는다.
• 0.8–1.8 µm 범위에서 분해능 R ~ 400로 작동하며, 방출선 존재 여부에 관계없이 적색편이 측정 정밀도가 Δz ~ 0.001 수준에 도달할 수 있도록 충분한 스펙트럼 해상도를 확보한다.
• 각 포인팅에서 H-대역 이미징(AB ~ 23)을 수행하여 분광학적 관측 대상으로 선별하고, 현재까지 가장 깊은 전천구 near-IR 이미징 조사 결과를 도출한다.
• 우주 은하수의 평면 조사 목적을 위해 히스테리스 변환을 활용한 적분장치 모드로 전환하여 1 deg² 구역에서 3차원 분광학적 관측을 수행한다.
• 넓은 영역의 전천구 조사(약 70% 천구를 커버), 깊은 은하계 외부 조사(10 deg², AB ~ 26), 그리고 은하수 평면 조사의 조합을 통해 관측 시간의 약 30%를 게스트 관측자 프로그램에 할애한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 우주 기반 near-IR 분광 조사가 은하계 외부 천체 전역에서 5억 개 이상의 은하에 대해 0.001 이하의 적색편이 정확도를 달성할 수 있는가?
• RQ2 단일 전천구 분광 조사로 다수의 적색편이 영역에 걸쳐 바리온 음향 진동이 얼마나 정밀하게 측정될 수 있는가?
• RQ3 넓은 시야 분광 조사로 z ~ 2에서 현재까지의 우주의 대규모 구조 성장률을 얼마나 정밀하게 측정할 수 있는가?
• RQ4 10 deg²의 깊은 분광 조사(AB ~ 26)에서 고적색편이 은하(z > 2), 특히 라이먼-알파 방출체와 초기 QSO의 수확률은 얼마인가?
• RQ5 넓은 시야를 가진 우주 기반 분광 조사가 이전 임무 대비 10배 이상 높은 효율으로 Ia 초신성을 발견할 수 있는가?

주요 결과

• SPACE는 Δz ~ 0.5의 적색편이 슬라이스에서 BAO 척도 측정 정밀도가 0.5%에 도달할 것이며, 향후 계획된 모든 조사보다 통계적 능력이 뛰어나다.
• 이 임무는 바리온 음향 진동 신호에 대해 결정적인 측정을 제공할 것이며, WFMOS에 비해 통계적 능력이 약 10배 높아질 것이다.
• 전천구 조사는 z ~ 2 이상에서의 첫 번째 3차원 전천구 지도를 제공하여 빛나는 바리온의 대규모 구조와 그의 우주의 진화를 추적할 수 있다.
• 깊은 은하계 외부 조사는 약 2,300개의 Ia 초신성을 발견할 것이며, 넓은 시야 덕분에 SNAP에 비해 스펙트럼 관측 효율이 10배 높아질 것이다.
• 이 임무는 현재까지 가장 깊은 전천구 near-IR 이미징 조사(AB ~ 23)를 제공할 것이며, 이는 분광학적 관측 대상 선별 과정의 부산물로 발생한다.
• 암흑 에너지 상태 방정식(w₀ 및 wₐ)에 대한 공동 제약 조건이 크게 향상되어, SPACE는 단일 조사에서 w₀ 및 wₐ에 대해 가장 날카로운 제약 조건을 제공할 것이다.