[论文解读] Cosmology with the Large Synoptic Survey Telescope

Hu Zhan, J. A. Tyson|arXiv (Cornell University)|Jul 21, 2017

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 152被引用 5

一句话总结

LSST 将通过在六个光学波段（ugrizy）内对 18,000 平方度的天空区域进行深度、广角且快速的巡天，开启精确宇宙学的新时代，10 年内达到 r~27.5 的联合深度，每个天区平均观测 800 次。该数据将推动多种宇宙学探针的发展——大尺度结构、弱引力透镜、Ia 型超新星、星系团以及强引力透镜——当与宇宙微波背景数据结合时，可对暗能量和宇宙学模型施加紧密约束。

ABSTRACT

The Large Synoptic Survey Telescope (LSST) is a high etendue imaging facility that is being constructed atop Cerro Pachon in Northern Chile. It is scheduled to begin science operations in 2022. With an 8.4m (6.5m effective) aperture, a three-mirror design achieving a seeing-limited 9.6deg^2 field of view, and a 3.2 Gigapixel camera, the LSST has the deep-wide-fast imaging capability to carry out an 18,000deg^2 survey in six passbands (ugrizy) to a coadded depth of r~27.5 over 10 years using 90% of its observational time. The remaining 10% will be devoted to deeper and faster time-domain observations and smaller surveys. In total, each patch of the sky in the main survey will receive 800 visits allocated across the six passbands with 30s exposure visits. The huge volume of high-quality LSST data will provide a wide range of science opportunities and open a new era of precision cosmology with unprecedented statistical power and tight control of systematic errors. In this review, we give a brief account of the LSST cosmology program with an emphasis on dark energy investigations. The LSST will address dark energy physics and cosmology in general by exploiting diverse precision probes including large-scale structure, weak lensing, type Ia supernovae, galaxy clusters, and strong lensing. Combined with the cosmic microwave background data, these probes form interlocking tests on the cosmological model and the nature of dark energy. The LSST data products will be made available to the U.S. and Chilean scientific communities and to international partners with no proprietary period. Close collaborations with coeval surveys observing at a variety of wavelengths, resolutions, depths, and timescales will be a vital part of the LSST science program, which will not only enhance specific studies but also allow a more complete understanding of the universe through different windows.

研究动机与目标

• 通过利用其深度、广度和快速成像能力，将 LSST 建立为精确宇宙学的变革性设施。
• 利用多样化的观测探针，解决关于暗能量和宇宙加速本质的根本性问题。
• 确保美国、智利及国际科学界能够开放、及时地获取 LSST 数据，且无专属期。
• 通过整合 LSST 数据与同时期在不同波长、分辨率和时标上的巡天，实现协同科学。
• 发展一个全面的宇宙学计划，通过多种探针的相互关联，对标准宇宙学模型进行稳健检验。

提出的方法

• 使用安装在 8.4 米（有效 6.5 米）口径望远镜上的 32 亿像素相机，对 18,000 平方度的区域进行为期 10 年的巡天，视场达 9.6 平方度。
• 通过每个天区 800 次观测（每次 30 秒曝光）在六个波段（ugrizy）内实现 r 波段联合深度 r~27.5。
• 采用三镜设计，在广角视场内实现衍射极限的像质。
• 实施双模式观测策略：90% 时间用于主深度广域巡天，10% 时间用于更深度、更快的时间域巡天及小区域巡天。
• 将 LSST 数据与宇宙微波背景数据结合，对宇宙学模型形成相互印证的测试。
• 与多波段、多分辨率、多时标巡天保持紧密合作，以增强科学覆盖范围与完整性。

实验结果

研究问题

• RQ1 LSST 的深度、广度和快速巡天能力如何通过多种独立的宇宙学探针约束暗能量的本质？
• RQ2 从 LSST 数据中，大尺度结构与弱引力透镜测量可实现的统计功效与系统误差控制水平如何？
• RQ3 弱引力透镜、Ia 型超新星、星系团与强引力透镜的联合约束如何提升对标准宇宙学模型的检验？
• RQ4 开放且无专属期的数据访问在多大程度上能加速宇宙学发现，并促进跨巡天协同？
• RQ5 多波段与多时标的合作如何提升 LSST 宇宙学计划的科学产出？

主要发现

• LSST 将在 18,000 平方度范围内实现 r~27.5 的联合深度，使 faint 且遥远的宇宙学源得以探测。
• 每个天区将在六个波段内接受 800 次观测，为时域与测光研究提供卓越的时间与测光分辨率。
• LSST 的广角、高通量设计使其在探测大尺度结构与弱引力透镜方面具备前所未有的统计功效。
• LSST 多元宇宙学探针与宇宙微波背景数据的结合，可形成对宇宙学模型的稳健、互锁式检验。
• 无专属期的开放数据发布将最大化科学影响力，并促进广泛社区参与。
• 与同时期在不同波长、分辨率与时间尺度上的巡天形成协同，将显著提升宇宙学结果的完整性和可解释性。