[论文解读] CCAT-prime Collaboration: Science Goals and Forecasts with Prime-Cam on the Fred Young Submillimeter Telescope

Prime Collaboration, Manuel Aravena+85 more|arXiv (Cornell University)|Jul 21, 2021

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 14被引用 24

一句话总结

本文概述了 Prime-Cam 在 Fred Young Submillimeter Telescope (FYST) 上的科学目标、仪器设计及预测性能，包括 survey 策略与跨多个宇宙学与天体物理计划的预期灵敏度。

ABSTRACT

We present a detailed overview of the science goals and predictions for the Prime-Cam direct detection camera/spectrometer being constructed by the CCAT-prime collaboration for dedicated use on the Fred Young Submillimeter Telescope (FYST). The FYST is a wide-field, 6-m aperture submillimeter telescope being built (first light in mid-2024) by an international consortium of institutions led by Cornell University and sited at more than 5600 meters on Cerro Chajnantor in northern Chile. Prime-Cam is one of two instruments planned for FYST and will provide unprecedented spectroscopic and broadband measurement capabilities to address important astrophysical questions ranging from Big Bang cosmology through reionization and the formation of the first galaxies to star formation within our own Milky Way galaxy. Prime-Cam on the FYST will have a mapping speed that is over ten times greater than existing and near-term facilities for high-redshift science and broadband polarimetric imaging at frequencies above 300 GHz. We describe details of the science program enabled by this system and our preliminary survey strategies.

研究动机与目标

• 推动一个覆盖广域、高灵敏度的亚毫米波调查计划，以研究早期宇宙、星系演化和银河学科学。
• 描述 Prime-Cam 仪器设计，包括七个模块、两个 EoR-Spec 光谱仪和五个宽带偏振通道。
• 预测灵敏度、调查策略和观测计划，以实现从再电离到银河结构的测量。

提出的方法

• 描述 Prime-Cam 仪器架构和光学设计，以覆盖 8° FYST 视场内的 4.9° 内场。
• 描述 Epoch of Reionization Spectrometer (EoR-Spec)，使用低温成像 Fabry-Perot 干涉仪进行 [C II] 线强度成像，覆盖 z ~ 3.5–8.05。
• 采用 Kinetic Inductance Detector (KID) 照相平面，用于跨多个带（220–850 GHz）的宽带偏振和光谱，使用 ~150 mm 硅晶圆。
• 开发一个噪声模型，将天空、望远镜、仪器背景与探测器和大气噪声结合起来，以预测成图速度和灵敏度。
• 规划调查和观测策略（广域调查和深度光谱调查），以优化跨学科协同效应并确保与其他设施（如 SO、CMB-S4）兼容。
• 在计划带宽内，提供与 CMB 研究（NET）和尘埃/线研究（NEI）相关单位的性能预测。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 100–900 GHz 的广域亚毫米波 surveys 中，Prime-Cam 的预计灵敏度和成图速度是多少？
• RQ2 通过 EoR-Spec 的 [C II] 和 [O III] 线强度成像如何约束在 z ~ 3.5–8.05 上的恒星形成和再电离历史？
• RQ3 Prime-Cam 如何高效地将 CMB 前景（特别是尘埃）与原始的 B 模式分离，利用高频亚毫米波数据？
• RQ4 Prime-Cam 通过偏振尘埃辐射来绘制银河磁场以及研究星系团中的 SZ 效应的能力有哪些？
• RQ5 在计划的调查中，对 Rayleigh 散射信号和亚毫米时间域瞬变的预期能力有哪些？

主要发现

• FYST 上的 Prime-Cam 实现了在 100–900 GHz 范围内前所未有的光谱和宽带测量。
• 该项目预测在高红移科学和 300 GHz 以上的宽带偏振成像方面，成图速度将比现有/近期开设施高出十倍以上。
• 该仪器由七个模块组成：两个 EoR-Spec Fabry-Perot 光谱仪和五个宽带偏振相机，针对 220 到 850 GHz 的特定频带进行了优化。
• FYST 的 6 m 开口在高海拔条件下实现衍射极限成像，适用于 CMB B 模式研究和亚 Mpc 尺度的线强度成像。
• 详细的观测计划包括两个大型调查（广域调查和深度光谱调查）合计约 8,000 小时，以及额外的定向计划，在大约 5 年的时间窗内共计约 12,500 小时可用。
• 灵敏度和噪声模型结合天空、望远镜、仪器、探测器和大气贡献，以在各带提供预测的 NEI/NET 值和调查速度。