[論文レビュー] The wide-field, multiplexed, spectroscopic facility WEAVE: Survey design, overview, and simulated implementation

Shoko Jin, S. C. Trager+213 more|arXiv (Cornell University)|Dec 7, 2022

Spectroscopy and Laser Applications被引用数 10

ひとこと要約

本論文は、ウィリアム・ハーシェル望遠鏡に設置される広視野・多対象分光装置WEAVEの設計、調査戦略、およびシミュレートされた実装を提示する。WEAVEは2度の視野において最大約1000対象を同時に分光測定可能であり、銀河系考古学、星団の星の性質、および銀河系外宇宙論の分野をカバーする8つの主要調査を支援する。シミュレートされたデータは、5〜7年間のプログラムを通じて、何百万もの星や銀河に対して高精度の径速度、金属量、および詳細な元素比を提供する能力を示している。

ABSTRACT

WEAVE, the new wide-field, massively multiplexed spectroscopic survey facility for the William Herschel Telescope, will see first light in late 2022. WEAVE comprises a new 2-degree field-of-view prime-focus corrector system, a nearly 1000-multiplex fibre positioner, 20 individually deployable 'mini' integral field units (IFUs), and a single large IFU. These fibre systems feed a dual-beam spectrograph covering the wavelength range 366$-$959\,nm at $R\sim5000$, or two shorter ranges at $R\sim20\,000$. After summarising the design and implementation of WEAVE and its data systems, we present the organisation, science drivers and design of a five- to seven-year programme of eight individual surveys to: (i) study our Galaxy's origins by completing Gaia's phase-space information, providing metallicities to its limiting magnitude for $\sim$3 million stars and detailed abundances for $\sim1.5$ million brighter field and open-cluster stars; (ii) survey $\sim0.4$ million Galactic-plane OBA stars, young stellar objects and nearby gas to understand the evolution of young stars and their environments; (iii) perform an extensive spectral survey of white dwarfs; (iv) survey $\sim400$ neutral-hydrogen-selected galaxies with the IFUs; (v) study properties and kinematics of stellar populations and ionised gas in $z<0.5$ cluster galaxies; (vi) survey stellar populations and kinematics in $\sim25\,000$ field galaxies at $0.3\lesssim z \lesssim 0.7$; (vii) study the cosmic evolution of accretion and star formation using $>1$ million spectra of LOFAR-selected radio sources; (viii) trace structures using intergalactic/circumgalactic gas at $z>2$. Finally, we describe the WEAVE Operational Rehearsals using the WEAVE Simulator.

研究の動機と目的

• ウィリアム・ハーシェル望遠鏡に設置されるWEAVE分光装置の包括的で長期間にわたる調査プログラムを設計すること。
• 最大300万個の銀河系星の星団の性質を高精度で分光的に調査し、位相空間および元素比の測定を可能にすること。
• 積分場ユニットと多ファイバー分光法を用いて、近距離および遠距離の銀河における運動学およびイオン化ガスのマッピングを行うこと。
• 大規模な電波選択源調査を通じて、星形成および吸着の宇宙的進化を調査すること。
• 赤方偏移が大きい領域における銀河間および周銀河ガスを、吸収線分光法を用いて追跡すること。

提案手法

• WEAVEは2度の視野をカバーするプライマリフォーカス補正レンズと、最大1000対象を同時に分光測定可能な1000ファイバー位置決め装置を備える。
• 装置は366–959 nmの波長域をR ~ 5000でカバーする二重ビーム分光器を備え、または高分解能研究のためのR ~ 20,000の2バンドを提供する。
• 20個の展開式ミニ積分場ユニット（IFUs）と1つの大型IFUを備え、拡張源の空間分解能分光測定を可能にする。
• 調査プログラムは、異なる赤方偏移の星、銀河、銀河間ガスを対象とする8つの独立した科学的プログラムに分類されている。
• シミュレートされた観測を用いて、調査設計、観測サイクル、およびデータ還元ワークフローの妥当性を検証する。
• WEAVEシミュレータを用いたWEAVE運用リハーより、観測戦略とデータパイプラインの性能をテストする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 WEAVEは、最大300万個の銀河系星に対して、どのように高精度の径速度と金属量を取得できるか？
• RQ2 z < 0.5のクラスターやフィールド銀河における運動学およびイオン化ガスをマッピングする最適な観測戦略は何か？
• RQ3 WEAVEは、100万個の電波選択源をどのように効率的に調査し、宇宙的吸着および星形成の進化を追跡できるか？
• RQ4 WEAVEの分光分解能およびマルチプレクシング性能は、高赤方偏移領域の銀河間ガス構造をどれほど正確に解明できるか？
• RQ5 多ファイバーとIFUモードの統合は、多様な天文学的対象に対して調査の科学的成果をどのように最適化できるか？

主な発見

• WEAVEは、約300万個の星の径速度と金属量を取得可能であり、明るいフィールド星およびオープンクラスタ星約150万個については詳細な元素比も得られる。
• IFUを用いて約400個の中性水素選択銀河を調査可能であり、空間分解能の運動学および星団性質の研究が可能になる。
• WEAVEは、0.3 ≤ z ≤ 0.7のフィールド銀河約25,000個のスペクトルを取得可能であり、遠方銀河系における星およびイオン化ガスの運動学の研究が可能になる。
• LOFARで選択された電波源の調査により、100万個を超えるスペクトルが得られ、宇宙的吸着および星形成の歴史の分析が可能になる。
• WEAVEの高マルチプレクシング（最大1000ファイバー）と広視野（2度）は、調査速度と完全性を顕著に向上させる。
• WEAVE運用リハーサルからのシミュレートデータは、大規模調査実装に向けた観測戦略とデータパイプラインの堅牢性を確認している。