[논문 리뷰] LSST Observing Strategy White Paper: LSST Observations of WFIRST Deep Fields

R. J. Foley, Anton M. Koekemoer외 39명|arXiv (Cornell University)|2018. 11. 30.

Gamma-ray bursts and supernovae인용 수 4

한 줄 요약

이 화이트페이퍼는 LSST가 2년 간격으로 WFIRST 초신성 설문의 깊은 영역을 공동으로 조사하여, WFIRST의 약 5일 간격의 관측 주기와 일치시키고, $ugrizy$ 필터에서 공통으로 통합된 깊이를 약 28–29 mag로 확보함으로써, 타입 Ia 초신성의 공동 광학/근적외선 광도 곡선을 가능하게 하여, 거리 정밀도 향상, 사진적 적색편이 보정, 그리고 우주론 및 갈라크티크 외 천문학 분야의 잠재적 전반적 과학적 성과를 크게 향상시킨다.

ABSTRACT

The Wide-Field Infrared Survey Telescope (WFIRST) is expected to launch in the mid-2020s. With its wide-field near-infrared (NIR) camera, it will survey the sky to unprecedented detail. As part of normal operations and as the result of multiple expected dedicated surveys, WFIRST will produce several relatively wide-field (tens of square degrees) deep (limiting magnitude of 28 or fainter) fields. In particular, a planned supernova survey is expected to image 3 deep fields in the LSST footprint roughly every 5 days over 2 years. Stacking all data, this survey will produce, over all WFIRST supernova fields in the LSST footprint, ~12-25 deg^2 and ~5-15 deg^2 regions to depths of ~28 mag and ~29 mag, respectively. We suggest LSST undertake mini-surveys that will match the WFIRST cadence and simultaneously observe the supernova survey fields during the 2-year WFIRST supernova survey, achieving a stacked depth similar to that of the WFIRST data. We also suggest additional observations of these same regions throughout the LSST survey to get deep images earlier, have long-term monitoring in the fields, and produce deeper images overall. These fields will provide a legacy for cosmology, extragalactic, and transient/variable science.

연구 동기 및 목표

• LSST 관측을 WFIRST 초신성 설문의 주기와 일치시켜, 타입 Ia 초신성의 공동 광학(_LSST_) 및 근적외선(WFIRST) 광도 곡선을 가능하게 하기 위해.
• LSST의 공통으로 통합된 이미지 깊이를 $ugrizy$ 필터에서 WFIRST의 깊은 영역와 유사한 수준(~28–29 mag)으로 확보하여, 우주론적 및 갈라크티크 외 과학에서의 상호보완성을 극대화하기 위해.
• 고해상도 WFIRST 이미징과 LSST의 깊은 광학 커버리지의 조합을 통해 사진적 적색편이 정확도를 향상시키고, 혼란 요소를 줄이며, 은하의 분리 정확도를 향상시키기 위해.
• WFIRST의 HLS 그라스미 스펙트럼 설문의 보정을 위해, 겹치는 영역에서 깊고 다수의 획득 시간이 있는 광학 데이터를 제공함으로써 지원하기 위해.
• 희미한 등급 한계 영역에서의 잠재적 천체 모니터링, 우주론, 다중 파장 소스 특성 분석을 위한 지속 가능한 유산 데이터셋을 구축하기 위해.

제안 방법

• LSST의 10년 설문 내에서, WFIRST 초신성 설문의 깊은 영역(5–15 deg²)에 국한된 미니 설문 전략을 제안하며, 2년 간의 창구 동안 수행한다.
• LSST의 관측 주기를 WFIRST가 계획한 약 5일 간격의 반복 관측 주기와 일치시키며, 각 관측에서 가능한 한 모든 $ugrizy$ 필터를 활용한다.
• WFIRST의 단일 획득 및 누적 한계와 동일한 개별 노출 깊이와 공통으로 통합된 깊이를 갖는 깊은 드릴링 스타일 관측을 구현한다.
• WFIRST 초신성 설문 기간 동안 동시 관측을 우선시하여 공동 광도 곡선 분석을 가능하게 하고, 고적색편이 초신성의 시간 확대 효과를 최소화한다.
• 매일의 공통으로 통합된 이미지와 통합된 데이터의 차분 이미징을 활용하여 잠재적 천체 탐지 및 장기 모니터링을 가능하게 한다.
• LSST와 WFIRST 데이터를 통합하는 소프트웨어 환경에서 공동으로 처리하는 파이프라인을 도입하여 과학적 접근성과 상호보완성을 극대화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 WFIRST의 깊은 영역에서 LSST 관측을 통해 공동 광학/근적외선 광도 곡선을 활용함으로써, 타입 Ia 초신성의 거리 측정 정밀도는 어떻게 향상될 수 있는가?
• RQ2 초신성 탐지 및 광도 곡선의 정밀도를 고려할 때, WFIRST의 2년간 초신성 설문과의 최적의 상호보완성을 달성하기 위해 LSST의 관측 주기와 깊이는 어떻게 설정되어야 하는가?
• RQ3 LSST와 WFIRST의 데이터를 통합함으로써, 깊은 갈라크티크 외 영역의 은하에 대한 사진적 적색편이 정확도는 얼마나 향상될 수 있는가?
• RQ4 WFIRST만으로는 부족한 $ugri$ 필터를 포함한 LSST 데이터의 통합은 고적색편이 초신성의 잠재적 천체 특성 및 먼지 성질 분석에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 이 영역에 대한 장기적이고 깊은 모니터링은 희미하고 변동성이 있는, 그리고 일시적인 천체의 탐지 및 분석에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• WFIRST의 5일 간격 주기와 일치하고 $ugrizy$ 필터에서 약 28–29 mag 수준의 공통으로 통합된 깊이를 확보하는 LSST 관측은, 약 20,000개의 타입 Ia 초신성에 대해 공동 광도 곡선을 가능하게 하여, 단독으로는 달성할 수 없는 수준의 거리 정밀도 향상을 이룬다.
• 공동 광학/근적외선 광도 곡선을 통해 $z=0$에서 $z=3$까지의 전체 휴식 상태 광학 영역 추적을 가능하게 하여, 먼지 성질과 본질적 초신성 행동의 체계적 검증이 가능해진다.
• 조율된 설문은 $z<1$ 범위에서 약 8,000개의 SNe Ia를 탐지할 수 있으며, $0.45<z<0.55$ 및 $0.95<z<1.05$ 적색편이 영역에서 약 1,000개의 초신성에 대해 0.05 mag 이내의 거리 모듈러스 불확도를 확보하여 핵심 우주론 목표를 충족시킨다.
• 이 영역는 WFIRST HLS의 광도 한계에서 사진적 적색편이의 순도 99.9%를 달성할 수 있으며, 22 deg²의 깊은 그라스미 스펙트럼 분석이 계획되어 있어 설문 보정이 가능하다.
• 이 전략은 총 LSST 설문 시간의 1.5%(474시간)를 이 영역에 할애하여, 독립적인 LSST나 WFIRST 설문보다 더 깊고 균일한 커버리지를 제공하는 지속 가능한 유산 데이터셋을 생성한다.
• 제안된 접근법은 고해상도 WFIRST 이미징과 깊은 LSST 광학 데이터의 조합을 통해 사진적 적색편이의 혼란 요소를 줄이며, 은하 분리 및 소스 특성 분석을 향상시킨다.