[论文解读] A Near-Infrared Spectroscopic Survey at the SDSS 2.5-meter Telescope?

Michael F. Skrutskie, John C. Wilson|arXiv (Cornell University)|Mar 31, 2015

Astronomy and Astrophysical Research被引用 3

一句话总结

本文提出利用现有的光纤和插板基础设施，将斯隆数字巡天（SDSS）2.5米望远镜改造为近红外波段的光谱观测设备，实现对银河系恒星的高分辨率（R ~ 24,000）和低分辨率（R ~ 3,000）光谱巡天。研究表明，通过改进光纤和校正器，望远镜可在30分钟内对H~14（R=3000）和H~12（R=24,000）星等的恒星实现信噪比SNR=10，从而实现通过H波段内的分子CNO谱线对银河系巨星的运动学与元素丰度进行研究。

ABSTRACT

We are posting this 10-year-old white paper to support an upcoming survey description paper for the SDSS-III Apache Point Galactic Evolution Experiment (APOGEE) led by PI Dr. Steven Majewski. The white paper presented here was a contribution to a 2005 "futures" planning process for the Astrophysical Research Consortium led by Dr. Donald York that examined both prospects for extending the work of SDSS and SDSS-II as well as enhancing the capabilities of the Apache Point 3.5-meter telescope and the overall scientific reach of the Consortium. This particular white paper describes the potential for using the Sloan 2.5-meter telescope and its fiber optic infrastructure to conduct a galactic plane chemical abundance survey in the low-extinction 1.6um H-band. The survey would target >1000 red giant stars per night selected from the Two Micron All Sky Survey using a >200 fiber near-infrared spectrograph operating at spectral resolution of R~24,000 with a magnitude limit of H~12 - very close to the final APOGEE implementation. A number of features suggested in the white paper did not survive to the actual survey including an R~3000 low-resolution spectral mode emphasizing kinematics to a fainter magnitude limit of K~14, a tunable high-resolution grating (retired by using three HAWAII-2RG arrays to cover most of the H-band all at once), a refrigerated optical train (the actual APOGEE is LN2 cooled), and the use of InGaAs arrays (HgCdTe remained the most mature technology at the time of construction). The white paper also suggests making the APOGEE instrument accessible to the 3.5-meter telescope at Apache Point, a project now underway.

研究动机与目标

• 利用现有的多目标光纤基础设施，在SDSS 2.5米望远镜上实现近红外波段光谱巡天。
• 解决尽管已有大量可见光波段光谱仪，却缺乏专用近红外光谱仪的问题。
• 通过红巨星的高分辨率（R~24,000）和低分辨率（R~3,000）光谱观测，研究银河系的动力学与化学演化。
• 评估利用现有光纤和校正板进行改进后，提升近红外波段透射性能的技术可行性。
• 评估InGaAs探测器阵列作为HgCdTe的低成本、低噪声替代方案，在近红外光谱观测中的适用性。

提出的方法

• 改造现有的SDSS光纤与插板系统，使其适用于近红外波段，保留2米光纤路径与机械结构。
• 采用两块可互换光栅，实现R~3,000（暗弱目标）和R~24,000（高分辨率）两种光谱模式。
• 优化光谱覆盖范围：R=3000时为0.9–1.8 μm，R=24,000时为1.52–1.66 μm，重点聚焦于H波段，该波段光纤透射率超过90%。
• 将高OH含量光纤替换为低OH含量光纤，以提升1.85 μm以上波段的透射率，因当前光纤在此波段透射率仅约40%。
• 对熔融石英通用校正器（Corning 7940/7980）进行重新镀膜或更换，以将透射率延伸至2.0 μm以上，同时对可见光性能影响最小。
• 采用2K x 2K InGaAs阵列作为探测器，利用其在天文应用中实现低暗电流与优异噪声性能的最新进展。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过现有基础设施有效改造SDSS 2.5米望远镜，实现近红外波段光谱观测？
• RQ2 当前光纤与校正器系统在近红外波段的主要透射率限制因素是什么？
• RQ3 在组件改进后，能否在30分钟内实现对H~14（R=3000）和H~12（R=24,000）星等目标的SNR=10？
• RQ4 InGaAs探测器阵列是否能以低于HgCdTe的成本提供足够性能，用于高分辨率近红外光谱观测？
• RQ5 在望远镜后端安装高分辨率（R~24,000）光谱仪时，存在哪些机械与热力约束？

主要发现

• SDSS 2.5米望远镜可通过现有光纤与插板基础设施，支持R~3,000和R~24,000两种模式的近红外光谱巡天。
• 由于OH吸收，长波段J波段的光纤透射率下降至约55%，但在H波段（1.5–1.7 μm）透射率仍保持在90%以上，因此该波段是高分辨率工作的理想选择。
• 在1.85 μm以上波段，当前高OH光纤的透射率仅约40%，因此必须更换为低OH光纤，以实现K波段观测。
• 通用校正器的可见光优化镀膜限制了其在2.0 μm以上的近红外透射率，但通过更换或重新镀膜可实现改进，且对可见光性能影响极小。
• 2K x 2K格式的InGaAs阵列适用于该光谱仪，具备低暗电流与良好噪声性能，预计可及时投入应用。
• 覆盖1.52–1.66 μm波段的高分辨率模式（R~24,000）可实现对H~12星等目标在30分钟内SNR=10，从而实现对红巨星中CNO谱线的精确丰度测量。