[논문 리뷰] WEAVE-QSO: A Massive Intergalactic Medium Survey for the William Herschel Telescope

Matthew M. Pieri, Silvia Bonoli외 13명|arXiv (Cornell University)|2016. 11. 28.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena인용 수 33

한 줄 요약

WEAVE-QSO는 윌리엄 허셜 망원경을 활용하여 약 40만 개의 고적도 퀘이사(z > 2)를 6,000 deg² 범위에서 대규모 분광조직 조사하는 것을 제안한다. J-PAS와 Gaia 자료를 활용해 타겟 완전도가 거의 100%에 도달한다. 이 조사로는 은하간 매질 및 은하 피드백에 대한 고해상도 Lyα 숲과 금속 흡수선을 통해 바리온 음향 진동의 고정밀 측정, 암흑 에너지 및 중성미자 질량에 대한 제약, 그리고 우주의 팽창력역사에 대한 제약을 얻을 수 있다.

ABSTRACT

In these proceedings we describe the WEAVE-QSO survey, which will observe around 400,000 high redshift quasars starting in 2018. This survey is part of a broader WEAVE survey to be conducted at the 4.2m William Herschel Telescope. We will focus on chiefly on the science goals, but will also briefly summarise the target selection methods anticipated and the expected survey plan. Understanding the apparent acceleration in the expansion of the Universe is one of the key scientific challenges of our time. Many experiments have been proposed to study this expansion, using a variety of techniques. Here we describe a survey that can measure this acceleration and therefore help elucidate the nature of dark energy: a survey of the Lyman-alpha forest (and quasar absorption in general) in spectra towards z>2 quasars (QSOs). Further constraints on neutrino masses and warm dark matter are also anticipated. The same data will also shed light on galaxy formation via study of the properties of inflowing/outflowing gas associated with nearby galaxies and in a cosmic web context. Gas properties are sensitive to density, temperature, UV radiation, metallicity and abundance pattern, and so constraint galaxy formation in a variety of ways. WEAVE-QSO will study absorbers with a dynamic range spanning more than 8 orders of magnitude in column density, their thermal broadening, and a host of elements and ionization species. A core principal of the WEAVE-QSO survey is the targeting of QSOs with near 100% efficiency principally through use of the J-PAS (r < 23.2) and Gaia (r < 20) data.

연구 동기 및 목표

• 고적도 퀘이사의 Lyα 숲에서 바리온 음향 진동(BAO)을 측정하여 암흑 에너지 및 우주의 팽창력역사를 제약하는 것.
• 열량 밀도 범위가 8개 이상의 차수에 이르는 스펙트럼의 흡수선을 통해 은하간 매질(IGM)의 물리적 조건을 탐구하는 것.
• 금속 흡수선과 운동학적 서식을 통해 은하 형성과 피드백을 분석하여 우주망의 환경에서 기체의 유입 및 유출을 연구하는 것.
• Lyα 숲 투과도와 금속 농도 패tern을 이용해 2 < z < 3 범위에서 이온화원(쿼이사와 항성 형성은하)의 분포를 독립적으로 제약하는 것.
• J-PAS와 Gaia의 다밴대 광도 측정 자료를 활용해 거의 100%의 완전도와 순도를 달성한 퀘이사 타겟팅을 통해 대규모 분광조직 조사의 효율성을 높이는 것.

제안 방법

• 4.2m 윌리엄 허셜 망원경의 WEAVE 분광계를 사용하여 1,000개의 섬유를 3.1 deg²의 시야에 적용하고, R = 5,000 및 R = 20,000로 고해상도 연구를 수행한다.
• J-PAS 협폭 영상 조사(r < 23.2)와 Gaia(r ≲ 20)의 광도 적색편이 및 색-색 컷을 이용해 고적도 퀘이사(z > 2)를 타겟팅하여 6,000 deg²의 겹침 영역에서 95%의 완전도와 순도를 달성한다.
• 자동화된 기법과 시각적 점검 기법을 활용해 퀘이사 식별을 검증하고, BOSS 우주론적 모의 실험에서 유래한 500개의 QSO 템플릿 라이브러리를 활용해 실제 Lyα 숲 흡수를 반영한다.
• S/N/Å > 0.5인 Lyα 숲에서 희미한 QSOs(r < 23.2)에 대한 깊고 넓은 조사와 S/N/Å = 7인 빛나는 QSOs(r < 20)에 대한 보조 조사로 고해상도 연구를 가능하게 한다.
• WEAVE의 고해상도 및 고신호대비비율을 활용해 열적 넓이, 이온화 상태, 금속 농도 패턴을 열량 밀도의 넓은 범위에서 은하간 매질 흡수체에 대해 측정한다.
• 고정밀 타겟팅과 섬유 효율성(약 1시간의 재구성 시간)을 활용해 목표 적도 및 magnitude 범위 내에서 QSO에 대해 단일 관측으로 거의 100%의 완전도를 달성한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고적도 퀘이사의 Lyα 숲이 암흑 에너지 및 우주의 팽창력역사를 제약하기 위해 정밀한 바리온 음향 진동 측정을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 열량 밀도의 8개 이상의 차수에 이르는 범위에서 은하간 매질의 물리적 조건(밀도, 온도, 금속 농도, 이온화 상태)은 무엇인가?
• RQ3 기체 흡수체의 운동학적 특성과 금속 농도가 z > 2에서 은하 형성, 피드백, 그리고 우주망의 구조를 어떻게 반영하는가?
• RQ4 Lyα 숲과 금속선 통계를 이용해 2 < z < 3 범위에서 이온화원(쿼이사와 항성 형성은하)의 분포와 진화에 대해 어떤 제약을 둘 수 있는가?
• RQ5 J-PAS와 같은 광도 조사가 대규모 분광조직 조사에서 거의 100%의 완전도와 순도를 달성하는 데 얼마나 기여할 수 있는가?

주요 결과

• WEAVE-QSO 조사는 6,000 deg² 영역 내에서 r < 23.2까지의 고적도 퀘이사 약 35만 개(z > 2.7)를 관측하며, Lyα 숲에서 S/N/Å > 0.5를 확보한다.
• 추가로 r < 20인 빛나는 퀘이사 약 5만 개(z > 2.1)를 관측하여 S/N/Å = 7을 확보하고, 일부 영역에서 고해상도 연구를 가능하게 한다.
• J-PAS와 Gaia 자료를 활용한 타겟팅은 적도 범위 2.2 < z < 2.9에서 퀘이사에 대해 95%의 완전도와 순도를 달성하며, 시각적 점검을 통해 거의 완벽한 식별 성능을 확인하였다.
• 1시간의 섬유 재구성 시간 덕분에 단일 관측 모드를 통해 전체 영역에서 QSO 타겟팅에 거의 100%의 효율성을 달성하였다.
• 고해상도(R = 20,000)와 고신호대비비율의 조합으로 열적 넓이와 이온화 상태에 대한 정밀 측정이 가능해졌다.
• 조사를 통해 2 < z < 3 범위에서 이온화원의 분포에 대해 독립적인 제약을 둘 수 있었으며, 재이온화 시기와 은하간 매질 가열에 대한 이해가 향상되었다.