[论文解读] LSST Observing Strategy White Paper: LSST Observations of WFIRST Deep Fields

R. J. Foley, Anton M. Koekemoer+39 more|arXiv (Cornell University)|Nov 30, 2018

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 4

一句话总结

本白皮书提议，LSST在为期两年的时间内对WFIRST超新星巡天的深空场进行协调的微型巡天，匹配WFIRST的5天巡天周期，并在$ugrizy$滤光片中实现约28–29 mag的堆叠深度。该策略可实现Ia型超新星的联合光学/近红外光曲线，显著提升距离测量精度、光度红移校准，以及宇宙学和星系天文学中的暂现源科学研究。

ABSTRACT

The Wide-Field Infrared Survey Telescope (WFIRST) is expected to launch in the mid-2020s. With its wide-field near-infrared (NIR) camera, it will survey the sky to unprecedented detail. As part of normal operations and as the result of multiple expected dedicated surveys, WFIRST will produce several relatively wide-field (tens of square degrees) deep (limiting magnitude of 28 or fainter) fields. In particular, a planned supernova survey is expected to image 3 deep fields in the LSST footprint roughly every 5 days over 2 years. Stacking all data, this survey will produce, over all WFIRST supernova fields in the LSST footprint, ~12-25 deg^2 and ~5-15 deg^2 regions to depths of ~28 mag and ~29 mag, respectively. We suggest LSST undertake mini-surveys that will match the WFIRST cadence and simultaneously observe the supernova survey fields during the 2-year WFIRST supernova survey, achieving a stacked depth similar to that of the WFIRST data. We also suggest additional observations of these same regions throughout the LSST survey to get deep images earlier, have long-term monitoring in the fields, and produce deeper images overall. These fields will provide a legacy for cosmology, extragalactic, and transient/variable science.

研究动机与目标

• 通过将LSST观测与WFIRST超新星巡天的观测周期相匹配，实现Ia型超新星的联合光学（LSST）与近红外（WFIRST）测光光曲线。
• 在$ugrizy$滤光片中实现与WFIRST深空场相当的堆叠图像深度（约28–29 mag），以最大化对宇宙学和星系天文学的协同增益。
• 通过结合高分辨率的WFIRST成像与LSST的深光学覆盖，提升光度红移精度，减少参数退化并改善星系去重叠效果。
• 通过在重叠区域提供深度、多历元的光学数据，支持WFIRST HLS棱镜巡天的校准。
• 为暂现源监测、宇宙学和多波段源特征表征构建一个持久的遗产数据集，覆盖极暗星等极限。

提出的方法

• 在LSST十年巡天计划内提出一种微型巡天策略，仅聚焦于WFIRST超新星巡天的深空场（5–15 deg²），持续两年时间。
• 将LSST巡天周期与WFIRST计划的约5天重复访问周期相匹配，理想情况下每次观测均覆盖所有$ugrizy$滤光片。
• 采用深钻式观测方式，使单次曝光深度和堆叠深度与WFIRST的单次观测极限和堆叠极限相匹配。
• 优先在WFIRST SN巡天期间进行同步观测，以实现联合光曲线分析，并减少高红移超新星的时间膨胀效应。
• 通过每晚的堆叠和堆叠数据的差分成像，实现暂现源的探测与长期监测。
• 倡导建立集成化的数据处理管道，将LSST与WFIRST数据在统一的软件环境中结合，以最大化科学可及性与协同效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 LSST对WFIRST深空场的观测如何通过联合光学/近红外光曲线提升Ia型超新星距离测量的精度？
• RQ2 LSST在观测周期和深度方面应如何优化，以最大化与WFIRST两年超新星巡天在超新星探测和光曲线保真度方面的重叠与协同效应？
• RQ3 结合LSST与WFIRST数据，在深空星系场中能将星系光度红移精度提升到何种程度？
• RQ4 与仅使用WFIRST相比，LSST的$ugri$滤光片在高红移超新星的暂现源特征表征和尘埃特性分析方面有何增强作用？
• RQ5 对这些区域进行长期、深度监测，对探测和分析暗淡、可变及暂现源有何影响？

主要发现

• LSST观测若匹配WFIRST的5天周期并达到$ugrizy$滤光片中约28–29 mag的堆叠深度，将能实现约20,000颗Ia型超新星的联合光曲线，显著提升距离测量精度，超越任一望远镜单独观测的能力。
• 联合的光学/近红外光曲线将实现从$z=0$到$z=3$的完整静止系光学追踪，支持对尘埃性质和超新星本征行为的系统性检验。
• 协调巡天将探测约8,000颗$z<1$的SNe Ia，其中在$0.45<z<0.55$和$0.95<z<1.05$红移区间内，约1,000颗的光度距离模数不确定度可控制在0.05 mag以内，满足关键宇宙学目标。
• 该巡天场可实现光度红移纯度达99.9%，在WFIRST HLS流量极限下，计划对22 deg²区域进行深度棱镜光谱校准。
• 该策略将利用LSST总观测时间的1.5%（474小时）专门用于这些区域，提供比独立LSST或WFIRST巡天更深、更均匀的覆盖。
• 所提议的方法通过结合高分辨率的WFIRST成像与深度LSST光学数据，可有效减少光度红移退化，提升星系去重叠与源特征表征能力。