[论文解读] A First Transients Survey with JWST: the FLARE project

Lifan Wang, D. Baade+44 more|arXiv (Cornell University)|Oct 19, 2017

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 10被引用 11

一句话总结

FLARE项目提出利用詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）开展一项大视场、时域巡天，以探测并研究红移值 >6 的早期宇宙中第一代发光暂现源——例如第三星族超新星和直接坍缩黑洞吸积事件。通过在2 μm和4 μm波段对0.1平方度的天区进行中等深度监测，该巡天旨在探测红移值超过10的高质量第三星族超新星以及红移值 >6 的超亮超新星，从而为早期恒星形成与黑洞种子提供直接约束。

ABSTRACT

JWST was conceived and built to answer one of the most fundamental questions that humans can address empirically: "How did the Universe make its first stars?". Our First Lights At REionization (FLARE) project transforms the quest for the epoch of reionization from the static to the time domain. It targets the complementary question: "What happened to those first stars?". It will be answered by observations of the most luminous events: supernovae and accretion on to black holes formed by direct collapse from the primordial gas clouds. These transients provide direct constraints on star-formation rates (SFRs) and the truly initial Initial Mass Function (IMF), and they may identify possible stellar seeds of supermassive black holes (SMBHs). Furthermore, our knowledge of the physics of these events at ultra-low metallicity will be much expanded. JWST's unique capabilities will detect these most luminous and earliest cosmic messengers easily in fairly shallow observations. However, these events are very rare at the dawn of cosmic structure formation and so require large area coverage. Time domain astronomy can be advanced to an unprecedented depth by means of a shallow field of JWST reaching 27 mag AB in 2 and 4.4 microns over a field as large as 0.1 square degree visited multiple times each year. Such a survey may set strong constraints or detect massive Pop III SNe at redshifts beyond 10, pinpointing the redshift of the first stars, or at least their death. Based on our current knowledge of superluminous supernovae (SLSNe), such a survey will find one or more SLSNe at redshifts above 6 in five years and possibly several direct collapse black holes. Although JWST is not designed as a wide field survey telescope, we show that such a wide field survey is possible with JWST and is critical in addressing several of its key scientific goals.

研究动机与目标

• 通过观测第一代恒星形成与死亡时最明亮的暂现信号，而非依赖静态成像，来回答第一代恒星如何形成与死亡这一基本问题。
• 通过从“凝视模式”转向时域天文观测，克服浅深度、单次观测的局限性，以探测再电离时期。
• 探测并表征最明亮的高红移暂现源——例如超亮超新星和吸积黑洞——作为早期恒星形成与黑洞种子的直接示踪。
• 通过建立公开的、实时的高红移暂现源数据库及模拟与分析工具，实现社区范围内的发现与后续观测。
• 通过模拟与模拟观测验证并优化巡天策略，确保JWST任务全周期内时间利用的高效性。

提出的方法

• 在0.1平方度的天区内，利用JWST在2 μm和4.4 μm波段进行浅深度、大视场巡天，达到中等深度下的AB星等27等。
• 通过重复观测（每年重访）探测早期宇宙中的暂现事件，如超新星和吸积耀发。
• 利用高红移处的时间膨胀效应，简化观测周期规划，并提高长时标暂现源的可探测性。
• 实施概率性目标分类，以区分真实高红移暂现源与前景污染源（如棕矮星）。
• 与地面深空成像（如昴星团战略计划）相结合，排除虚假阳性结果，并提供多波段上下文信息。
• 开发并部署如TAO（宇宙中的暂现源与观测）等工具，用于模拟JWST的模拟观测，并支持未来观测周期的提案准备。

实验结果

研究问题

• RQ1 詹姆斯·韦布空间望远镜能否通过时域巡天探测到红移值超过10的高质量第三星族超新星？
• RQ2 在浅深度、大视场的JWST巡天中，红移值 >6 的超亮超新星的预期发生率与可探测性如何？
• RQ3 能否利用JWST的红外能力，将直接坍缩黑洞吸积事件识别为早期宇宙中的明亮暂现源？
• RQ4 如何在视场大小、观测周期与波段覆盖方面优化早期宇宙暂现源探测，以最大化科学产出？
• RQ5 社区驱动的实时数据共享与模拟工具在最大化JWST时域观测发现潜力方面发挥何种作用？

主要发现

• 在2 μm和4.4 μm波段，对0.1平方度、浅深度（AB ~27等）的JWST巡天，可探测到红移值超过10的高质量第三星族超新星，从而为第一代恒星形成时期提供直接约束。
• 根据当前高红移SLSN率模型，该巡天在运行五年内预计可探测到一个或多个红移值 >6 的超亮超新星。
• 该巡天还将探测到来自直接坍缩黑洞的暂现源，为识别早期宇宙中形成的超大质量黑洞种子提供路径。
• 该巡天的广域成像可探测到再电离时期大尺度结构的特征，揭示早期物质分布的宇宙网结构。
• 在较短波长下进行地面深空成像对于排除前景污染源并实现可靠的暂现源分类至关重要。
• FLARE项目将向公众提供所有探测到的暂现源及其支持工具的实时访问，实现即时社区后续观测与基于模拟的使命规划。