[论文解读] A Reference Survey for Supernova Cosmology with the Nancy Grace Roman Space Telescope

Benjamin Rose, C. Baltay+34 more|arXiv (Cornell University)|Nov 4, 2021

Astronomical Observations and Instrumentation参考文献 2被引用 28

一句话总结

本文提出了一个两层的高纬时间域调查设计，针对罗马太空望远镜，在 w0–wa 的灵敏度约为 6 mmag，用于 SN Ia 宇宙学，详细说明成像和棱镜光谱策略、场地选择、观测节律以及预计的超新星数量。

ABSTRACT

This note presents an initial survey design for the Nancy Grace Roman High-latitude Time Domain Survey. This is not meant to be a final or exhaustive list of all the survey strategy choices, but instead presents a viable path towards achieving the desired precision and accuracy of dark energy measurements using Type Ia supernovae (SNe Ia). We describe a survey strategy that use six filters (RZYJH and F) and the prism on the Roman Wide Field Instrument. This survey has two tiers, one "wide" which targets SNe Ia at redshifts up to 1 and one "deep" targeting redshifts up to 1.7; for each, four filters are used (with Y and J used in both tiers). We propose one field each in the north and south continuous viewing zones, and expect to obtain high-quality distances of $\sim$12,000 SNe Ia with $\sim$5,000 at z > 1. We propose a wide-tier area of $\sim$19 deg$^2$ and a deep tier of $\sim$5 deg$^2$. Exposure times range from 100 s to 900 s for imaging and 900 s to 3600 s for the prism. These exposure times would reach $\sim$25.5 mag and $\sim$26.5 mag for the wide and deep tiers respectively, with deep co-add stacks reaching $\sim$28 mag and $\sim$29 mag. The total survey spans two years, with a total allocation time of six months, and a cadence of $\sim$5 days.

研究动机与目标

• 为罗马空间望远镜提供一个参考型 SN Ia 调查，以在 0.5 < z < 2.0 范围内实现对暗能量的精确测量。
• 描述使用 WFI 六个宽带滤镜和一个光谱低分辨率棱镜的两层广域/深层高纬时间域调查。
• 在 SNANA 基于的模拟下，提供场地选择、跳动/转场策略和曝光规划，以达到约 3 mmag 每 bin 的精度。
• 预测 SN Ia 的产出量和宇宙学参数敏感性，以评估该调查是否满足任务级要求。

提出的方法

• 两层调查设计（广域和深层），使用 WFI 八个滤镜中的六个（F062、F087、F106、F129、F158、F184）以及一个低分辨率棱镜。
• 观测节律：在为期 2 年 6 个月的总调查中，访次约每 5 天一次，每次约 100 次指向，对每个对象约 125 次观测。
• 利用 SNANA 进行 SN Ia 产出模拟，采用基于 CANDELS 的宿主星系库并扩展到近红外的 SALT2 光曲线建模，包含信噪比和相位裁剪以选择 SN Ia。
• 估计达到成像约 3 mmag 距离模量精度所需的每个红shift bin 的 SN 数量（成像每 bin 0.1 mag，光谱每 bin 0.06 mag）。
• 评估替代棱镜时间分数（10–75%）及其对面积、深度和宇宙学的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 采用两层（广域/深层）策略的罗马高纬时间域调查，是否能够在 0 < z < 2 范围内实现 w0 与 wa 的约 6 mmag 偏差灵敏度？
• RQ2 在控制系统误差的同时，哪些场地选择、节律模式和光谱分数最能最大化 SN Ia 的产出？
• RQ3 在所提出的观测框架内，为达到目标的宇宙学参数精度，需要多少 SN Ia（以及它们的红移分布）？

主要发现

• 预计大约 12,000 个 SN Ia，经筛选后，广域层 8,861 个，深层层 3,610 个，其中 z > 1 的 SN Ia 有 5,197 个。
• 25% 光谱时间的名义计划在所有裁剪后得到 12,324 个 SN Ia 和 147 个核心坍缩干扰对象（在 25% 光谱场景中）。
• 红shift 分布显示相当比例的 SN Ia 在 z > 1，对 w0–wa 的高红移杠杆有信息量。
• 联合罗马与低红移成像数据的距离不确定性随红移进行量化，说明在罗马范围约4个 bin 的情况下实现 ~3 mmag 每 bin 精度的可行性。
• 分析表明，在提出的调查及替代策略下可实现宇宙学目标，但在减少调查时间或面积方面余量有限。