[论文解读] An Overview of the SPACE Mission Proposal

Massimo Robberto, A. Cimatti+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 22, 2007

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 1被引用 3

一句话总结

SPACE 提出一项 M 类空间任务，旨在利用 MEMS 技术的狭缝光谱仪，在 0.8–1.8 µm 波段以 R ~ 400 的分辨力，对超过 5 亿个星系开展首次全天近红外光谱巡天。该任务将实现亚 0.001 的红移测量精度，从而实现对重子声学振荡（BAO）和宇宙大尺度结构增长的确定性测量，对 BAO 尺度的测量精度达 0.5%，并为暗能量和修正引力理论提供前所未有的约束。

ABSTRACT

SPACE (SPectroscopic All-sky Cosmic Explorer) is a class-M mission proposed to ESA for the Cosmic Vision 2015-2025 call and recently promoted to the next assessment study phase. SPACE will produce the first all-sky spectroscopic survey of the Universe, taking spectra of more than 500 million galaxies over a wide range of redshifts. SPACE will operate in slit mode (MEMS) at R~400 between 0.8 and 1.8micron down to AB~23, providing redshifts to an accuracy of Delta z~0.001, regardless on the presence of bright emission lines, together with the most relevant physical and evolutionary properties. The catalog of spectroscopic redshift will allow to place the ultimate constraints on the Baryon Acoustic Oscillations and the nature of Dark Energy. By obtaining the first 3-D all-sky map of the Universe at z~2 and beyond, SPACE will trace the growth rate of cosmic structures, the large scale structure of luminous baryons and its cosmic evolution. Besides the all-sky survey, SPACE will carry out a deep extragalactic survey over an area of ~10 sq. deg., enabling a most powerful supernova search program, and a galactic plane survey in integral field mode. Approximately 30% of the time will be open. Due to its versatility, SPACE is a ``self-sufficient'' observatory which can attack and solve the most compelling questions on the nature of the Dark Energy without complementary data from the Earth or space. Its unique wide-field capabilities in the near-IR make SPACE the ideal complement to JWST, ALMA, and the future 25-50 m telescopes.

研究动机与目标

• 通过为银河系外天空中数亿个星系提供精确的光谱红移，克服光度红移测量的局限性。
• 以亚 0.001 的红移精度测量重子声学振荡（BAO），从而对暗能量和宇宙几何结构施加最严格的约束。
• 从 z ~ 2 至现今追踪大尺度结构的增长，以区分暗能量与修正引力模型。
• 发现并表征 z > 2 的原初星系、Ly-α 发射体及早型星系，包括首批类星体和 Ia 型超新星。
• 通过为期 5 年的任务和 30% 的客机观测时间，创建一个遗产数据集，支持天文学各领域的长期数据挖掘。

提出的方法

• 利用位于日-地拉格朗日 L2 点的 1.5 米空间望远镜，最大限度减少近红外波段的热噪声和大气干扰。
• 采用 MEMS 微反射镜器件实现多目标狭缝光谱观测，每一点指向可同时观测约 6,000 个星系，覆盖 0.4 deg² 的视场。
• 在 0.8–1.8 µm 波段以分辨力 R ~ 400 运行，光谱分辨率足以在不依赖发射线存在的情况下实现 Δz ~ 0.001 的红移测量精度。
• 在每个指向点进行初始 H 波段成像（AB ~ 23），用于选择光谱观测目标，从而实现迄今最深的全天近红外成像巡天。
• 切换至积分场模式，利用哈达玛变换对银河系平面进行巡天，实现 1 deg² 区域的三维光谱观测。
• 结合大范围全天巡天（覆盖约 70% 的天空）、深银河系外巡天（10 deg² 至 AB ~ 26）和银河系平面巡天，约 30% 的观测时间分配给客机观测项目。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于空间的近红外光谱巡天能否在银河系外天空中对 5 亿个星系实现亚 0.001 的红移测量精度？
• RQ2 通过单一全天光谱巡天，在多个红移区间内，重子声学振荡的测量精度能达到多高？
• RQ3 通过大视场光谱巡天，能否以高精度测量从 z ~ 2 至现今的宇宙大尺度结构增长速率？
• RQ4 在覆盖 10 deg² 至 AB ~ 26 的深光谱巡天中，高红移星系（z > 2），包括 Ly-α 发射体和早期类星体的探测率如何？
• RQ5 由于其大视场，基于空间的光谱巡天能否使 Ia 型超新星的发现效率比以往任务提高一个数量级？

主要发现

• SPACE 将在 Δz ~ 0.5 的红移区间内实现 BAO 尺度 0.5% 的测量精度，其统计功效超越所有其他计划中的巡天任务。
• 该任务将实现对重子声学振荡特征的决定性测量，其统计功效约为 WFMOS 的一个数量级。
• 全天巡天将首次实现 z ~ 2 及更远红移宇宙的三维全天图，追踪明亮重子物质的大尺度结构及其宇宙演化。
• 深银河系外巡天将发现约 2,300 颗 Ia 型超新星，其光谱观测效率比 SNAP 高 10 倍，归因于其大视场。
• 该任务将产生迄今最深的全天近红外成像巡天（AB ~ 23），作为光谱目标选择的副产品。
• 对暗能量状态方程（w₀ 和 wₐ）的联合约束将显著改善，SPACE 将为 w₀ 和 wₐ 提供来自单一巡天的最紧约束。