[论文解读] Enhancing LSST Science with Euclid Synergy

P. Capak, Jean‐Charles Cuillandre+24 more|arXiv (Cornell University)|Apr 23, 2019

Astronomy and Astrophysical Research参考文献 10被引用 13

一句话总结

本文提出了一种LSST与欧几里得空间望远镜之间的协调观测策略，通过将LSST的地基光学成像与欧几里得的空间光学和近红外成像及光谱观测重叠，显著提升了暗能量和银河系科学的研究水平。通过仅分配LSST十年观测计划中0.3–3.8%的时间用于协同观测欧几里得的深空场（包括COSMOS、SXDS、CDFS和Akari深空场南区），暗能量的宇宙学约束可提升30–69%，而银河系晕的测绘精度在覆盖面积增加50%的情况下提升一个数量级。

ABSTRACT

This white paper is the result of the Tri-Agency Working Group (TAG) appointed to develop synergies between missions and is intended to clarify what LSST observations are needed in order to maximally enhance the combined science output of LSST and Euclid. To facilitate LSST planning we provide a range of possible LSST surveys with clear metrics based on the improvement in the Dark Energy figure of merit (FOM). To provide a quantifiable metric we present five survey options using only between 0.3 and 3.8% of the LSST 10 year survey. We also provide information so that the LSST DDF cadence can possibly be matched to those of \emph{Euclid} in common deep fields, SXDS, COSMOS, CDFS, and a proposed new LSST deep field (near the Akari Deep Field South). Co-coordination of observations from the Large Synoptic Survey Telescope (LSST) and Euclid will lead to a significant number of synergies. The combination of optical multi-band imaging from LSST with high resolution optical and near-infrared photometry and spectroscopy from \emph{Euclid} will not only improve constraints on Dark Energy, but provide a wealth of science on the Milky Way, local group, local large scale structure, and even on first galaxies during the epoch of reionization. A detailed paper has been published on the Dark Energy science case (Rhodes et al.) by a joint LSST/Euclid working group as well as a white paper describing LSST/Euclid/WFIRST synergies (Jain et al.), and we will briefly describe other science cases here. A companion white paper argues the general science case for an extension of the LSST footprint to the north at airmass < 1.8, and we support the white papers for southern extensions of the LSST survey.

研究动机与目标

• 定义LSST与欧几里得之间的协调观测策略，以最大化其联合数据的科学产出。
• 识别特定的LSST观测选项（从迷你巡天到深钻场），以最优方式与欧几里得的深空场重叠。
• 量化联合LSST-Euclid观测对暗能量指标（FOM）的改进程度。
• 使LSST的观测时序与欧几里得在关键深空场的时序对齐，以实现高保真度的光度红移测量、弱引力透镜效应和源源分离。
• 倡导观测方案的调整，包括将LSST的覆盖范围向北扩展，并将深钻场设置在Akari深空场南区，以最大化协同效应。

提出的方法

• 提出五种按优先级排序的LSST观测方案，使用LSST十年观测时间的0.3–3.8%，并指定每种滤镜的观测次数和覆盖面积。
• 采用暗能量指标（FOM）作为量化指标，评估联合LSST-Euclid数据带来的改进。
• 聚焦于与欧几里得深空场（COSMOS、SXDS、CDFS和Akari深空场南区）的协同观测，通过匹配LSST的观测时序与欧几里得的观测计划。
• 优先考虑观测均匀性和累积深度，而非单次观测深度，建议每种滤镜至少5次观测，以控制光度系统误差。
• 根据重要性对观测约束（如图像质量、天空亮度、累积深度）进行排序，以指导观测设计，其中累积深度被列为最高优先级。
• 基于覆盖面积和深度扩展的建模，FOM随重叠程度和深度的增加而提升。

实验结果

研究问题

• RQ1 LSST与欧几里得如何协同提升对暗能量的约束？提升幅度如何？
• RQ2 哪些特定的LSST观测配置（覆盖范围、深度、时序）能最大化与欧几里得深空场的协同效应？
• RQ3 在COSMOS和CDFS等共同深空场中协同观测，如何提升光度红移测量的精度和弱引力透镜测量的准确性？
• RQ4 LSST协调观测中，观测面积、累积深度和观测次数之间的最优权衡是什么？
• RQ5 将LSST的覆盖范围向北扩展，并将深钻场设置在Akari深空场南区，如何提升整体科学产出？

主要发现

• 通过协调LSST与欧几里得的深空场观测，暗能量指标（FOM）可提升30–69%，具体取决于观测配置。
• 当LSST观测与欧几里得深空场重叠时，银河系晕的测绘精度在覆盖面积增加50%的情况下提升一个数量级。
• 最有效的LSST观测方案使用LSST十年观测时间的0.3–3.8%，每种滤镜的观测次数在25至1507次之间不等。
• Akari深空场南区被确定为LSST深钻场的首选候选区域，建议覆盖10 deg²，总观测次数达1507次（其中u波段738次，g波段96次，等等）。
• 观测均匀性和累积深度比单次观测深度更为重要，建议每种滤镜至少5次观测，以控制光度系统误差。
• 通过使LSST的观测时序与欧几里得在深空场中对齐，可实现更优的星系光度测量分离，并提升弱引力透镜剪切测量的精度。