[论文解读] Euclid Definition Study Report

R. Laureijs, J. Amiaux+217 more|CERN Document Server (European Organization for Nuclear Research)|Oct 14, 2011

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 15被引用 902

一句话总结

本文介绍了欧几里得定义研究报告，这是一项针对欧几里得空间望远镜的全面任务设计，旨在通过弱引力透镜效应和重子声学振荡研究暗能量、暗物质及引力。通过使用1.2米的科施望远镜搭载VIS和NISP仪器，对15,000平方度的深空天区进行巡天，欧几里得望远镜可实现高精度的光度红移测量（dz/(1+z) < 0.05）和光谱红移测量（dz/(1+z) = 0.001），从而绘制宇宙大尺度结构并探测宇宙加速膨胀的机制。

ABSTRACT

Euclid is a space-based survey mission from the European Space Agency designed to understand the origin of the Universe's accelerating expansion. It will use cosmological probes to investigate the nature of dark energy, dark matter and gravity by tracking their observational signatures on the geometry of the universe and on the cosmic history of structure formation. The mission is optimised for two independent primary cosmological probes: Weak gravitational Lensing (WL) and Baryonic Acoustic Oscillations (BAO). The Euclid payload consists of a 1.2 m Korsch telescope designed to provide a large field of view. It carries two instruments with a common field-of-view of ~0.54 deg2: the visual imager (VIS) and the near infrared instrument (NISP) which contains a slitless spectrometer and a three bands photometer. The Euclid wide survey will cover 15,000 deg2 of the extragalactic sky and is complemented by two 20 deg2 deep fields. For WL, Euclid measures the shapes of 30-40 resolved galaxies per arcmin2 in one broad visible R+I+Z band (550-920 nm). The photometric redshifts for these galaxies reach a precision of dz/(1+z) &lt; 0.05. They are derived from three additional Euclid NIR bands (Y, J, H in the range 0.92-2.0 micron), complemented by ground based photometry in visible bands derived from public data or through engaged collaborations. The BAO are determined from a spectroscopic survey with a redshift accuracy dz/(1+z) =0.001. The slitless spectrometer, with spectral resolution ~250, predominantly detects Ha emission line galaxies. Euclid is a Medium Class mission of the ESA Cosmic Vision 2015-2025 programme, with a foreseen launch date in 2019. This report (also known as the Euclid Red Book) describes the outcome of the Phase A study.

研究动机与目标

• 开发一项基于空间的巡天任务，以测量宇宙的加速膨胀并探究暗能量、暗物质及引力的本质。
• 设计一项任务，使其在弱引力透镜（WL）和重子声学振荡（BAO）这两个主要宇宙学探针方面达到最优性能。
• 利用可见光和近红外波段，实现每平方角秒30至40个星系的高精度光度红移测量（dz/(1+z) < 0.05）。
• 通过使用无狭缝光谱仪对Hα发射线星系进行光谱巡天，实现红移精度为dz/(1+z) = 0.001的测量。
• 对15,000平方度的深空天区进行广域巡天，并在两个20平方度的深场区域进行深度观测，以支持全面的宇宙学分析。

提出的方法

• 利用1.2米的科施望远镜，其视场达0.54平方度，以支持大范围巡天。
• 为望远镜配备两台仪器：用于可见光波段成像（R+I+Z，550–920 nm）的可见光相机（VIS），以及集成无狭缝光谱仪和三波段光度计（Y、J、H，0.92–2.0 µm）的近红外仪器（NISP）。
• 通过每平方角秒30至40个分辨星系的形状测量，实现弱引力透镜分析。
• 利用欧几里得的近红外波段以及来自公开数据或合作项目的地面可见光光度数据，推导光度红移。
• 利用NISP无狭缝光谱仪进行光谱巡天，光谱分辨率约为250，以探测Hα发射线星系。
• 结合弱引力透镜和重子声学振荡的测量结果，约束宇宙的几何结构和宇宙大尺度结构的增长。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何设计最优任务方案，以利用弱引力透镜和重子声学振荡测量宇宙的加速膨胀？
• RQ2 如何实现足够精度的光度红移测量（dz/(1+z) < 0.05），以支持宇宙学弱引力透镜研究？
• RQ3 为稳健探测重子声学振荡，需要多高的光谱红移精度（dz/(1+z) = 0.001）？
• RQ4 如何通过15,000平方度的广域巡天与两个深场的结合，最大化宇宙学约束力？
• RQ5 需要何种仪器与观测策略，以最大限度减少弱引力透镜和重子声学振荡测量中的系统误差？

主要发现

• 欧几里得任务将使用1.2米科施望远镜和0.54平方度视场，对15,000平方度的深空天区进行巡天。
• 可见光相机（VIS）将在R+I+Z波段（550–920 nm）内每平方角秒成像30至40个分辨星系，从而实现高精度的弱引力透镜测量。
• 利用欧几里得的三个近红外波段（Y、J、H）和地面可见光光度数据，星系的光度红移精度可达到dz/(1+z) < 0.05。
• NISP无狭缝光谱仪将提供精度为dz/(1+z) = 0.001的光谱红移，主要探测Hα发射线星系。
• 任务包含两个20平方度的深场，以增强对宇宙结构形成和暗能量演化约束的能力。
• 欧几里得是欧洲航天局（ESA）2015–2025年宇宙愿景计划中的中型任务，计划于2019年发射，本报告作为基础设计文件（即“红皮书”）。