[论文解读] Key early science with MANIFEST on GMT

Matthew Colless|arXiv (Cornell University)|Sep 16, 2018

Computational Physics and Python Applications参考文献 1被引用 3

一句话总结

本文提出，MANIFEST光纤系统将使巨型麦哲伦望远镜（GMT）充分利用其20角分视场，从而在AΩ（口径×视场）方面相较其他极大望远镜实现3–4倍的优势。通过将MANIFEST与高分辨率G-CLEF及中等分辨率GMACS摄谱仪结合，GMT可在前所未有的深度与空间分辨率下，对银河系考古学、星系演化及星系周围介质开展变革性的大视场、多目标及积分场摄谱研究。

ABSTRACT

The MANIFEST fibre system provides a highly versatile feed for the GMACS and G-CLEF first-light spectrographs on the Giant Magellan Telescope (GMT). Combining these low- and high-resolution optical spectrographs with the wide field of view (up to 20 arcmin), high multiplex, and integral field capabilities provided by MANIFEST enables science programs that are not achievable with other extremely large telescopes. For galactic archaeology and near-field cosmology studies of Local Group galaxies, MANIFEST and G-CLEF can obtain up to 40 simultaneous high-resolution optical spectra over a wide field, and so produce detailed kinematic and chemical maps of the stellar populations out to large radius in galaxies covering a broad range of masses and morphologies. For galaxy evolution studies, MANIFEST and GMACS can combine a survey of galaxies at the epoch of peak star formation with a study of the flows of gas between galaxies and the circumgalactic medium, mapping both the emission from hot gas using integral field spectroscopy and the absorption from cold gas with multi-object spectroscopy of background sources. These programs will feature strongly in the early science goals for GMT.

研究动机与目标

• 利用GMT的20角分视场开展大视场摄谱巡天，克服其他ELT因视场较小而带来的限制。
• 在包括高红移星系和本地星系群系统在内的多种天体上，实现高复用、多目标及积分场摄谱。
• 通过在大空间尺度上结合动力学、化学及气体流动数据，解决星系形成与演化研究中的关键挑战。
• 将恒星化学标记与银河系考古学研究从AAT的GALAH巡天扩展至银河系外盘及邻近星系。
• 通过在z ~ 2–3.5区域对大范围Lyα森林进行密集采样，实现对星际介质与星系周围介质的层析成像映射。

提出的方法

• 利用MANIFEST光纤系统将G-CLEF（高分辨率）与GMACS（中等分辨率）摄谱仪连接至GMT，实现在单次指向中同时观测最多40颗恒星或星系。
• 采用MANIFEST的多功能光纤馈送系统——包括单根光纤、成像 slicer 及积分场单元（IFUs）——以支持多目标与空间分辨摄谱。
• 利用GMT的大视场校正器与大气色散补偿器（WFC/ADC），在20角分全视场范围内保持高吞吐量与高光谱分辨率。
• 将MANIFEST与LSST及WFIRST等深空成像巡天结合，利用GMACS的5–10σ检测极限，对暗弱、高红移源进行摄谱后续观测。
• 通过密集采样背景Lyman-break星系在2 < z < 3.5波段的Lyα森林吸收线，实现对IGM与CGM的层析重建。
• 利用MANIFEST的蓝敏探测器与大尺寸IFU，探测z ~ 2处星系周围介质中表面亮度显著衰减但可探测的微弱Lyα发射线。

实验结果

研究问题

• RQ1 MANIFEST能否通过充分利用其20角分视场，使GMT在AΩ方面相较其他ELT实现3–4倍优势？
• RQ2 MANIFEST与G-CLEF能否在单次观测中同时获取高达40个高分辨率光谱，实现对本地星系群星系中恒星种群在大半径范围内的详细动力学与化学图谱？
• RQ3 MANIFEST与GMACS能否高效地对z ~ 0.5的星系进行空间分辨的动力学与化学丰度测量，从而支持对质量、角动量与反馈演化机制的研究？
• RQ4 MANIFEST与GMACS能否利用大尺寸光学IFU探测到z ~ 2处非活跃星系周围CGM的Lyα发射线？
• RQ5 MANIFEST能否通过在暗弱、高红移Lyman-break星系中密集采样Lyα森林，实现对IGM与CGM的层析成像映射？

主要发现

• MANIFEST为大视场摄谱研究提供了3–4倍的AΩ优势，使GMT在巡天效率与视场覆盖方面优于三十米TMT与三十玖米ELT。
• 借助MANIFEST与G-CLEF，可在20角分视场内同时获取最多40个高分辨率光谱，实现对本地星系群中距离达1 Mpc的星系恒星种群的详细化学与动力学图谱绘制。
• MANIFEST与GMACS可在仅10小时内探测到z ~ 6–7星系中线源通量>3×10⁻¹⁷ erg s⁻¹ cm⁻²、信噪比>5的Lyα发射线，且仅需3次指向即可覆盖一个WFIRST视场，得益于其20角分视场。
• MANIFEST与GMACS的结合可实现沿每条视线方向空间采样小于1 Mpc的IGM与CGM层析重建，基于2 < z < 3.5区域的密集Lyα森林巡天。
• MANIFEST的大尺寸光学IFU可探测到z ~ 2星系周围CGM的微弱Lyα发射线，此时其爱里半径约为~11角秒，特别适合空间分辨研究。
• 对2000个S/N ~ 30的恒星光谱在20个本地星系群星系中进行巡天，仅需约30个夜晚的GMT观测时间，即可显著扩展GALAH巡天至银河系外盘与晕区。