[논문 리뷰] J-PAS: The Javalambre-Physics of the Accelerated Universe Astrophysical Survey

N. Benı́tez, Renato A. Dupke외 150명|arXiv (Cornell University)|2014. 03. 20.

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한 줄 요약

J-PAS는 100Å 간격으로 분포한 54개의 필터를 사용하여 광역·저대역폭 광도 측정 조사(photometric survey)를 제안하며, 북반천구의 8,500 deg² 영역에서 9,000만 개의 은하 및 활성은하핵을 포함한 900만 개의 은하 및 활성은하핵에 대해 고정밀 광도 적색편이(0.003(1+z))를 확보한다. 4,000배의 멀티plex 효율을 갖는 저분해능 스펙트로그래프를 모방함으로써, 단일 조사로서 단계 IV BAO, 약한 렌즈 효과, 임시 천체 조사의 초고속·저비용 구현이 가능해지며, 이는 새로운 천체물리학적 기초 데이터셋을 구축한다.

ABSTRACT

The Javalambre-Physics of the Accelerated Universe Astrophysical Survey (J-PAS) is a narrow band, very wide field Cosmological Survey to be carried out from the Javalambre Observatory in Spain with a purpose-built, dedicated 2.5m telescope and a 4.7 sq.deg. camera with 1.2Gpix. Starting in late 2015, J-PAS will observe 8500sq.deg. of Northern Sky and measure $0.003(1+z)$ photo-z for $9 imes10^7$ LRG and ELG galaxies plus several million QSOs, sampling an effective volume of $\sim 14$ Gpc$^3$ up to $z=1.3$ and becoming the first radial BAO experiment to reach Stage IV. J-PAS will detect $7 imes 10^5$ galaxy clusters and groups, setting constrains on Dark Energy which rival those obtained from its BAO measurements. Thanks to the superb characteristics of the site (seeing ~0.7 arcsec), J-PAS is expected to obtain a deep, sub-arcsec image of the Northern sky, which combined with its unique photo-z precision will produce one of the most powerful cosmological lensing surveys before the arrival of Euclid. J-PAS unprecedented spectral time domain information will enable a self-contained SN survey that, without the need for external spectroscopic follow-up, will detect, classify and measure $σ_z\sim 0.5\%$ redshifts for $\sim 4000$ SNeIa and $\sim 900$ core-collapse SNe. The key to the J-PAS potential is its innovative approach: a contiguous system of 54 filters with $145Å$ width, placed $100Å$ apart over a multi-degree FoV is a powerful "redshift machine", with the survey speed of a 4000 multiplexing low resolution spectrograph, but many times cheaper and much faster to build. The J-PAS camera is equivalent to a 4.7 sq.deg. "IFU" and it will produce a time-resolved, 3D image of the Northern Sky with a very wide range of Astrophysical applications in Galaxy Evolution, the nearby Universe and the study of resolved stellar populations.

연구 동기 및 목표

• 북반천구의 8,500 deg² 영역에서 9×10⁷개의 LRG 및 ELG 은하와 수백만 개의 QSO에 대해 0.003(1+z) 정밀도의 광도 적색편이를 측정한다.
• 저대역폭 영상으로부터의 광도 적색편이를 활용하여 단계 IV 복사 압축진동(Baryonic Acoustic Oscillation, BAO) 실험을 수행한다.
• 어둠침도 에너지 제약 조건을 확보하기 위해 약 7×10¹개의 은하 클러스터 및 군집을 탐지하고 특성화한다.
• 자체적으로 4,000개의 SNeIa와 약 900개의 코어 붕괴 초신성의 탐지 및 분류를 수행하며, 적색편이 정밀도 σz ~ 0.5%를 확보하는 초신성 조사를 가능하게 한다.
• 은하 진화, 분해상 별집단 및 임시 천체 연구를 위해 북반천구의 깊고, 1초 이하 해상도의 3차원 영상 조사를 제공한다.

제안 방법

• Javalambre 관측소에 2.5m 망원경을 설치하고, 1.2 Gpix 카메라(JPCam)와 54개의 좁대역 필터로 구성된 고유한 필터 시스템을 구축한다. 각 필터는 145Å 너비이며 100Å 간격으로 배치된다.
• 밀도 높은 필터 샘플링을 통해 4,000배의 멀티플렉싱 효율을 갖는 저분해능 스펙트로그래프를 모방함으로써, 스펙트럼 측정 없이도 고정밀 광도 적색편이 측정이 가능해진다.
• 다수 도시의 시야를 갖는 광역 조사로 8,500 deg²를 커버하며, 약 0.7"의 해상도로 깊은 영상 촬영을 수행한다.
• 카메라의 넓은 시야 및 높은 광도 정밀도를 활용해 시간에 따라 변화하는 천체의 3차원 영상 조사를 수행하며, 광역 IFU 기능을 수행한다.
• 밀도 높은 필터 세트로 훈련된 광도 적색편이 알고리즘을 적용하여 은하 및 활성은하핵의 백분율 이내 정밀도의 적색편이를 확보한다.
• 고주기 영상 촬영을 통해 외부 스펙트럼 추적 없이도 임시 천체, 특히 Ia형 및 코어 붕괴 초신성을 탐지하고 분류한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 54개 필터를 갖는 좁대역 광도 측정 조사가 광역 천구에서 0.003(1+z) 정밀도의 광도 적색편이를 달성할 수 있는가?
• RQ2 이러한 필터 시스템이 스펙트럼 적색편이 없이도 단계 IV BAO 실험을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ3 이 설계에서 유도된 광도 적색편이는 약한 중력 렌즈 효과 및 클러스터 질량 측정에 얼마나 효과적으로 활용되어 어둠침도 에너지 제약 조건을 도울 수 있는가?
• RQ4 이 조사는 외부 스펙트럼 추적 없이도 수천 개의 초신성을 광도 측정만으로 독립적으로 탐지, 분류 및 적색편이를 측정할 수 있는가?
• RQ5 이 영상 접근법은 은하 진화 및 분해상 별집단 연구에 있어 3차원적·시간에 따라 변화하는 조사로 얼마나 효과적인가?

주요 결과

• J-PAS는 북반천구의 8,500 deg² 영역에서 9×10¹개의 은하 및 활성은하핵에 대해 0.003(1+z) 정밀도의 광도 적색편이를 측정할 것이다.
• 이 조사는 약 7×10¹개의 은하 클러스터 및 군집을 탐지하고 특성화하여, BAO 측정과 유사한 어둠침도 에너지 제약 조건을 제공할 것이다.
• J-PAS는 약 4,000개의 SNeIa와 900개의 코어 붕괴 초신성을 탐지하고, σz ~ 0.5%의 정밀도로 적색편이를 측정할 것이다.
• 이 조사는 북반천구의 깊고, 1초 이하 해상도의 영상 데이터를 제공하며, Euclid 이전에 가장 강력한 천체물리학적 렌즈 조사 중 하나가 될 것이다.
• 54개 필터 시스템은 4,000배 멀티플렉싱 효율을 갖는 저분해능 스펙트로그래프의 광도 적색편이 성능을 구현하지만, 비용과 건설 시간의 일부만으로도 가능하다.
• 이 조사는 천체물리학, 은하 진화, 임시 천체 연구를 위한 기초가 되는 다기능 데이터셋을 제공하며, 여러 천체물리학 분야에서 지속적인 유산 가치를 지닌다.