[논문 리뷰] CCAT-prime Collaboration: Science Goals and Forecasts with Prime-Cam on the Fred Young Submillimeter Telescope

Prime Collaboration, Manuel Aravena외 85명|arXiv (Cornell University)|2021. 07. 21.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 14인용 수 24

한 줄 요약

이 논문은 Prime-Cam의 과학 목표, 악세 디자인, 및 FYST에서의 예측 성능을 요약한다. 여러 우주학 및 천체물리 프로그램에 걸친 조사 전략 및 기대 민감도 포함.

ABSTRACT

We present a detailed overview of the science goals and predictions for the Prime-Cam direct detection camera/spectrometer being constructed by the CCAT-prime collaboration for dedicated use on the Fred Young Submillimeter Telescope (FYST). The FYST is a wide-field, 6-m aperture submillimeter telescope being built (first light in mid-2024) by an international consortium of institutions led by Cornell University and sited at more than 5600 meters on Cerro Chajnantor in northern Chile. Prime-Cam is one of two instruments planned for FYST and will provide unprecedented spectroscopic and broadband measurement capabilities to address important astrophysical questions ranging from Big Bang cosmology through reionization and the formation of the first galaxies to star formation within our own Milky Way galaxy. Prime-Cam on the FYST will have a mapping speed that is over ten times greater than existing and near-term facilities for high-redshift science and broadband polarimetric imaging at frequencies above 300 GHz. We describe details of the science program enabled by this system and our preliminary survey strategies.

연구 동기 및 목표

• 초기 우주, 은하 진화, 은하학적 과학을 다루기 위한 넓은 영역의 고감도 초미소파(submillimeter) 조사 프로그램을 추진한다.
• 두 개의 EoR-Spec 분광기와 다섯 개의 광대역 편광 채널이 포함된 일곱 모듈의 Prime-Cam 계측기 설계를 설명한다.
• 재이온화에서 은하 구조까지의 측정을 가능하게 하는 민감도 예측, 조사 전략 및 관측 계획을 제시한다.

제안 방법

• 8° FYST 필드의 내부 4.9° 영역을 커버하도록 Prime-Cam 기기 구성 및 광학 설계를 설명한다.
• Cryogenic 이미징 파브리-페로 간섭계(Fabry-Perot interferometer)를 이용한 [C II] 선 강도 매핑을 z ~ 3.5–8.05에 걸쳐 수행하는 Epoch of Reionization Spectrometer (EoR-Spec)를 설명한다.
• 약 150 mm 실리콘 웨이퍼를 사용하여 220–850 GHz 대역에서 다중 밴드의 광대역 편광 및 분광을 위한 Kinetic Inductance Detector (KID) 포컬 플레인을 채택한다.
• 하늘, 망원경 및 기기 배경에 검출기 및 대기 잡음을 더한 노이즈 모델을 개발하여 매핑 속도와 민감도를 예측한다.
• 교차 과학 시너지를 최적화하고 다른 시설(SO, CMB-S4 등)과의 호환성을 확보하기 위한 대규모 조사(Wide Field Survey) 및 심층 분광 조사(Deep Spectroscopic Survey) 계획.
• 계획 대역 전반에 걸쳐 CMB 연구(NET) 및 먼지/선 연구(NEI)에 적합한 단위로 성능 예측치를 제공한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 100–900 GHz 범위에서 광범위한 초미소파 설문조사에 대한 Prime-Cam의 예상 민감도와 매핑 속도는 어떠한가?
• RQ2 [C II] 및 [O III] 선 강도 매핑을 통해 EoR-Spec가 z ~ 3.5–8.05에 걸친 별 형성 및 재이온화 역사 제약에 어떻게 기여할 수 있는가?
• RQ3 고주파 초미소파 데이터로 CMB 전경(특히 먼지)을 원시 B-모드에서 얼마나 효과적으로 분리할 수 있는가?
• RQ4 편광 먼지 방출을 통해 은하의 자기장을 지도화하고 은하단의 SZ 효과를 연구하는 Prime-Cam의 능력은 무엇인가?
• RQ5 계획된 조사에서 Rayleigh 산란 신호와 시계열 초미소파 천변현상의 기대 가능성은 무엇인가?

주요 결과

• FYST의 Prime-Cam은 100–900 GHz 범위에서 전례 없는 분광 및 광대역 측정을 가능하게 한다.
• 이 연구는 고적신원 연구 및 300 GHz 이상에서의 광대역 편광 이미징에 대해 기존/근접 시설보다 매핑 속도가 10배 이상 높을 것으로 예측한다.
• 이 기기는 7개 모듈로 구성되며, 220에서 850 GHz까지의 특정 주파대에 최적화된 두 개의 EoR-Spec 파브리-페로 분광기와 다섯 개의 광대역 편광 카메라를 포함한다.
• 고고도에서의 FYST 6 m 개구는 CMB B-모드 연구 및 초-메가파섹 규모의 선 강도 매핑에 적합한 회절 제한 이미징을 가능하게 한다.
• 상세한 관측 계획은 약 8,000시간에 이르는 두 개의 대규모 조사(Wide Field Survey 및 Deep Spectroscopic Survey)와 추가 표적 프로그램을 포함하여 약 5년 창에 걸쳐 약 12,500시간의 가용 시간을 제공한다.
• 감도 및 노이즈 모델은 하늘, 망원경, 기기, 검출기 및 대기 기여를 합쳐 각 대역에서 예측 NEI/NET 값과 조사 속도를 산출한다.