[论文解读] WEAVE-QSO: A Massive Intergalactic Medium Survey for the William Herschel Telescope

Matthew M. Pieri, Silvia Bonoli+13 more|arXiv (Cornell University)|Nov 28, 2016

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 33

一句话总结

WEAVE-QSO 提出了一项利用威廉·赫歇尔望远镜进行的大规模光谱巡天，旨在对约40万颗高红移类星体（z > 2）在6,000平方度的天区范围内进行观测，借助J-PAS和Gaia数据实现近乎100%的目标源完整度。该巡天可实现对重子声学振荡的高精度测量，对暗能量和中微子质量施加约束，并通过高分辨率的Lyα森林和金属吸收线，深入研究电离气体介质和星系反馈机制。

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.

研究动机与目标

• 通过高红移类星体Lyα森林中的重子声学振荡（BAO）测量，约束暗能量及宇宙膨胀历史。
• 通过覆盖柱密度范围超过8个数量级的高分辨率、高信噪比吸收线谱，探究电离气体介质（IGM）的物理条件。
• 通过金属吸收线和运动学特征分析宇宙网环境中的气体流入与流出，研究星系形成与反馈机制。
• 利用Lyα森林透射率与金属丰度分布模式，独立约束2 < z < 3红移区间内电离源（类星体与星系形成星）的分布。
• 利用J-PAS和Gaia的多波段测光数据，实现类星体目标选择的近乎100%完整度与纯度，从而支持高效、大规模的光谱巡天。

提出的方法

• 在4.2米威廉·赫歇尔望远镜上使用WEAVE光谱仪，配备1,000根光纤，视场为3.1平方度，分别以R = 5,000和R = 20,000的分辨率进行观测，支持高分辨率研究。
• 利用J-PAS窄波段成像巡天（r < 23.2）和Gaia（r ≲ 20）的测光红移与颜色-颜色选星法，对高红移类星体（z > 2）进行目标选择，在6,000平方度重叠覆盖区实现95%的完整度与纯度。
• 结合自动化处理与人工目视检验技术验证类星体识别，使用包含500个类星体模板的库，其Lyα森林吸收特征基于BOSS宇宙学模拟生成。
• 开展对暗弱类星体（r < 23.2）的深广覆盖巡天，Lyα森林区域信噪比/埃 > 0.5；并补充对明亮类星体（r < 20）的巡天，信噪比/埃 = 7，以支持高分辨率研究。
• 利用WEAVE的高光谱分辨率与高信噪比，测量不同柱密度范围下电离气体吸收体的热展宽、电离状态与金属丰度分布。
• 借助巡天的高保真目标选择与光纤效率（约1小时重新配置时间），在目标红移与星等范围内实现单次观测、近乎100%的类星体完整度。

实验结果

研究问题

• RQ1 高红移类星体的Lyα森林能否提供对重子声学振荡的精确测量，从而约束暗能量与宇宙膨胀历史？
• RQ2 在柱密度范围超过8个数量级的条件下，电离气体介质的物理条件（密度、温度、金属丰度、电离状态）如何？
• RQ3 气体吸收体的运动学特征与金属丰度如何反映z > 2红移下星系形成、反馈与宇宙网结构的关系？
• RQ4 利用Lyα森林与金属线统计，能否对2 < z < 3红移区间内电离源（类星体与星系形成星）的分布与演化施加有效约束？
• RQ5 像J-PAS与Gaia这样的测光巡天，在多大程度上可实现类星体目标选择的近乎100%完整度与纯度，以支持大规模光谱巡天？

主要发现

• WEAVE-QSO巡天将在6,000平方度的天区内观测约350,000颗高红移类星体（z > 2.7），星等r < 23.2，Lyα森林区域信噪比/埃 > 0.5。
• 额外观测50,000颗明亮类星体（r < 20，z > 2.1），信噪比/埃 = 7，支持部分区域的高分辨率研究。
• 利用J-PAS与Gaia数据进行目标选择，在2.2 < z < 2.9红移区间内实现95%的完整度与纯度，人工目视检验确认类星体识别性能接近完美。
• 得益于1小时光纤重新配置时间，巡天采用单次观测模式，可在整个覆盖区实现近乎100%的类星体目标效率。
• 高光谱分辨率（R = 20,000）与高信噪比的结合，使对电离气体吸收体的热展宽与电离状态实现精确测量。
• 该巡天将对2 < z < 3红移区间内电离源的分布提供独立约束，提升对再电离时期与IGM加热机制的理解。