[论文解读] Euclid preparation. XXVII. A UV-NIR spectral atlas of compact planetary nebulae for wavelength calibration

Euclid Collaboration, K Paterson+202 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Astronomy and Astrophysical Research参考文献 9被引用 1

一句话总结

本文展示了利用甚大望远镜/X-SHOOTER和凯克望远镜对19个致密行星状星云（PNe）进行观测所获得的高精度紫外-近红外光谱图谱，为欧几里得空间任务的NISP光谱仪提供了波长校准参考。该图谱在光学波段实现0.1 Å的精度，在近红外波段实现0.3 Å的精度，使宇宙学红移测量的校准精度达到亚5 Å，这对欧几里得任务的星系团聚和暗能量研究至关重要。

ABSTRACT

The Euclid mission will conduct an extragalactic survey over 15000 deg$^2$ of the extragalactic sky. The spectroscopic channel of the Near-Infrared Spectrometer and Photometer (NISP) has a resolution of $R\sim450$ for its blue and red grisms that collectively cover the $0.93$--$1.89 $\micron;range. NISP will obtain spectroscopic redshifts for $3 imes10^7$ galaxies for the experiments on galaxy clustering, baryonic acoustic oscillations, and redshift space distortion. The wavelength calibration must be accurate within $5$Åto avoid systematics in the redshifts and downstream cosmological parameters. The NISP pre-flight dispersion laws for the grisms were obtained on the ground using a Fabry-Perot etalon. Launch vibrations, zero gravity conditions, and thermal stabilisation may alter these dispersion laws, requiring an in-flight recalibration. To this end, we use the emission lines in the spectra of compact planetary nebulae (PNe), which were selected from a PN data base. To ensure completeness of the PN sample, we developed a novel technique to identify compact and strong line emitters in Gaia spectroscopic data using the Gaia spectra shape coefficients. We obtained VLT/X-SHOOTER spectra from $0.3$ to $2.5$ \micron;for 19 PNe in excellent seeing conditions and a wide slit, mimicking Euclid's slitless spectroscopy mode but with 10 times higher spectral resolution. Additional observations of one northern PN were obtained in the $0.80$--$1.90$ \micron range with the GMOS and GNIRS instruments at the Gemini North observatory. The collected spectra were combined into an atlas of heliocentric vacuum wavelengths with a joint statistical and systematic accuracy of 0.1 Åin the optical and 0.3 Åin the near-infrared. The wavelength atlas and the related 1D and 2D spectra are made publicly available.

研究动机与目标

• 解决欧几里得NISP光谱仪在轨精确波长校准的需求，以避免宇宙学红移测量中的系统误差。
• 克服由于在轨环境变化（如微重力和热效应）导致的地面预校准局限性。
• 利用致密、明亮的发射线源，开发一种稳健且公开可用的光谱参考标准。
• 利用该图谱实现对天体物理参数的径向速度和跃迁概率的精确测量，以供验证。
• 提出一种新方法，利用一阶光谱形状系数从盖亚光谱数据中识别致密发射线源。

提出的方法

• 从HASH行星状星云数据库中选取19个具有高表面亮度和强发射线的致密行星状星云。
• 在优良视宁条件下，利用甚大望远镜/X-SHOOTER获取从0.3至2.5 µm的高分辨率、宽缝光谱，模拟欧几里得的无狭缝光谱观测模式。
• 利用基特峰国家天文台的GMOS和GNIRS仪器，为一颗北天行星状星云额外获取0.80–1.90 µm波段的光谱。
• 通过联合统计与系统误差建模，将各光谱合并为一个以太阳系质心为基准的真空波长图谱。
• 应用先进的大气吸收校正与波长解算优化技术，实现亚Å级精度。
• 开发了一种新方法，利用盖亚DR3数据中的一阶光谱形状系数，识别致密、强发射线源。

实验结果

研究问题

• RQ1 致密行星状星云能否作为欧几里得NISP光谱仪在轨运行时的可靠、高精度波长校准源？
• RQ2 在轨环境效应影响下，利用行星状星云发射线对NISP光栅光谱仪实现的波长校准精度能达到何种水平？
• RQ3 利用盖亚的一阶光谱形状系数识别致密、明亮发射线源的方法在选择校准源方面有多高效？
• RQ4 该图谱在多大程度上可支持对[O iii]谱线原子跃迁概率的独立验证？
• RQ5 在轨色散函数变化对欧几里得住家巡天中宇宙学红移测量的影响如何？

主要发现

• 该光谱图谱在光学波段实现联合统计与系统误差下0.1 Å的波长精度，在近红外波段实现0.3 Å的精度。
• 图谱包含19个致密行星状星云，具有高信噪比、多波段光谱，覆盖0.3–2.5 µm，为NISP校准提供了全面参考。
• 基于盖亚一阶光谱形状系数的方法成功识别出致密发射线源，包括五个此前未知的行星状星云候选体或恒星发射线源。
• 由图谱导出的径向速度与高精度测量结果一致，验证了校准精度。
• 该图谱可直接与[O iii]跃迁概率的相对论量子力学计算结果进行比较，单高斯线型拟合已足够用于校准验证。
• 完整的一维和二维光谱数据及图谱已通过CDS公开发布，供欧几里得及其他天文任务使用。