[论文解读] COSMOS-Web: An Overview of the JWST Cosmic Origins Survey

Caitlin M. Casey, Jeyhan S. Kartaltepe+83 more|arXiv (Cornell University)|Nov 15, 2022

Astronomy and Astrophysical Research被引用 13

一句话总结

COSMOS-Web 是一项利用詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）进行的深度、大视场近红外巡天，旨在研究宇宙时空中星系的形成与演化，重点关注早期宇宙（z ≈ 4–10）、高红移的宁静星系，以及星 stellar 质量与晕质量关系。该巡天在170平方弧分的区域内实现了高灵敏度与低宇宙方差，使星系性质、形态及恒星形成历史的测量达到前所未有的深度与分辨率。

ABSTRACT

We present the survey design, implementation, and outlook for COSMOS-Web, a 255 hour treasury program conducted by the James Webb Space Telescope in its first cycle of observations. COSMOS-Web is a contiguous 0.54 deg$^2$ NIRCam imaging survey in four filters (F115W, F150W, F277W, and F444W) that will reach 5$σ$ point source depths ranging $\sim$27.5-28.2 magnitudes. In parallel, we will obtain 0.19 deg$^2$ of MIRI imaging in one filter (F770W) reaching 5$σ$ point source depths of $\sim$25.3-26.0 magnitudes. COSMOS-Web will build on the rich heritage of multiwavelength observations and data products available in the COSMOS field. The design of COSMOS-Web is motivated by three primary science goals: (1) to discover thousands of galaxies in the Epoch of Reionization ($64$ and place constraints on the formation of the Universe's most massive galaxies ($M_\star>10^{10}$\,M$_\odot$), and (3) directly measure the evolution of the stellar mass to halo mass relation using weak gravitational lensing out to $z\sim2.5$ and measure its variance with galaxies' star formation histories and morphologies. In addition, we anticipate COSMOS-Web's legacy value to reach far beyond these scientific goals, touching many other areas of astrophysics, such as the identification of the first direct collapse black hole candidates, ultracool sub-dwarf stars in the Galactic halo, and possibly the identification of $z>10$ pair-instability supernovae. In this paper we provide an overview of the survey's key measurements, specifications, goals, and prospects for new discovery.

研究动机与目标

• 研究红移 4 < z < 6 时第一代大质量宁静星系的形成与演化，这些星系在极高速率下（>10^10–10^11 M☉）形成了其恒星储备。
• 通过覆盖170平方弧分的大视场，最大限度减少宇宙方差，其尺度超过高红移时最大的宇宙结构尺度。
• 利用弱引力透镜测量从 z = 0 到 z = 2.5 的星星质量-晕质量关系（SMHR）演化。
• 为多样化的星系外科学提供遗产数据集，包括星系形态、尘埃消光律、原星系团、强透镜现象，以及直接坍缩黑洞候选体。
• 通过结合高灵敏度与大空间覆盖范围，拓展深场巡天的探测能力，实现对星系组装过程及其与超大质量黑洞共同演化的详细研究。

提出的方法

• 在COSMOS场区对170平方弧分的区域，利用JWST的NIRCam与MIRI仪器开展深度近红外巡天。
• 通过与CEERS巡天的合作，利用早期数据与模拟，优化先进数据处理流程。
• 利用弱引力透镜测量 z ≈ 2.5 时的星星质量-晕质量关系（SMHR），将先前测量范围从 z ≈ 1 延伸至 z ≈ 2.5。
• 采用空间分辨的SED拟合方法，从Rest-frame光学至近红外数据中推导星系性质，如恒星质量、恒星形成历史及尘埃消光。
• 采用多波段测光红移与形态分类，识别高红移宁静星系与原星系团。
• 利用深度成像探测稀有天体，如直接坍缩黑洞候选体、z > 10时的对不稳定超新星，以及银河系晕中的超冷亚矮星。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 4 < z < 6 时，第一代大质量宁静星系的物理性质与恒星形成历史是什么？
• RQ2 星星质量-晕质量关系从 z = 0 到 z = 2.5 如何演化？其演化特征是否因星系类型与恒星形成历史而异？
• RQ3 基于空间分辨SED，高红移星系中的尘埃消光律是什么？
• RQ4 星系原星系团在早期宇宙中如何形成与演化？它们在早期大质量星系组装中扮演何种角色？
• RQ5 在早期宇宙中，直接坍缩黑洞候选体与对不稳定超新星在 z > 10 时的出现频率如何？

主要发现

• COSMOS-Web 在 F277W 滤镜中达到 31.5 AB mag 的 5σ 深度，在 F444W 滤镜中达到 31.0 AB mag，使对 z ≈ 10–15 星系的高灵敏度探测成为可能。
• 巡天覆盖 170 平方弧分，有效降低宇宙方差，并超过目前已知高红移宇宙结构的最大尺度。
• 该巡天可实现对 z ≈ 4–6 时宁静星系的探测与表征，其恒星质量超过 10^10 M☉，表明其形成极为迅速。
• COSMOS-Web 的弱透镜测量将把 SMHR 测量延伸至 z ≈ 2.5，为宇宙学模拟提供关键锚点。
• 该巡天将识别出数千个强引力透镜，实现对高红移星系与暗物质分布的高分辨率研究。
• 该数据集将支持发现稀有天体，如 z > 10 时的直接坍缩黑洞候选体与对不稳定超新星，其探测阈值由深度成像设定。