[论文解读] MOONRISE: The Main MOONS GTO Extragalactic Survey

R. Maiolino, M. Cirasuolo+35 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2020

Astronomy and Astrophysical Research被引用 38

一句话总结

MOONRISE 是一项保证观测时间的河外巡天，利用甚大望远镜（VLT）上的 MOONS 多目标光谱仪，对约 50 万个红移 z ≈ 0.9–2.6 的星系开展深度、大范围的光谱巡天，聚焦宇宙正午时期（z ~ 1–2.5），通过多 epoch 观测和从光学到近红外波段的高保真光谱诊断，实现对星系金属丰度、恒星形成以及环境依赖性的前所未有的精确测量。

ABSTRACT

The MOONS instrument possesses an exceptional combination of large multiplexing, high sensitivity, broad simultaneous spectral coverage (from optical to near-infrared bands), large patrol area and high fibre density. These properties provide the unprecedented potential of enabling, for the very first time, SDSS-like surveys around Cosmic Noon (z~1-2.5), when the star formation rate in the Universe peaked. The high-quality spectra delivered by MOONS will sample the same nebular and stellar diagnostics observed in extensive surveys of local galaxies, providing an accurate and consistent description of the evolution of various physical properties of galaxies, and hence a solid test of different scenarios of galaxy formation and transformation. Most importantly, by spectroscopically identifying hundreds of thousands of galaxies at high redshift, the MOONS surveys will be capable of determining the environments in which primeval galaxies lived and will reveal how such environments affected galaxy evolution. In this article, we specifically focus on the main Guaranteed Time Observation (GTO) MOONS extragalactic survey, MOONRISE, by providing an overview of its scientific goals and observing strategy.

研究动机与目标

• 测量星系金属丰度标度关系（包括质量-金属丰度关系与基本金属丰度关系）在宇宙时空中红移演化情况。
• 确定星系性质（尤其是恒星形成与熄灭）在 z ≈ 1–2.5 时对大尺度环境的依赖性。
• 在质量限和星等限样本中实现高完整性（COSMOS 场为 80%，VIDEO 场为 70%），以支持对星系演化模型的稳健统计检验。
• 通过针对 Lya 演化体和 Lya 发射体候选体的定向观测，识别并光谱确认高红移星系（z ≈ 6–8）和活动星系核（AGN）。
• 提供一个覆盖广泛红移范围的高质量、一致的光谱诊断遗产数据集，使本研究能与本地巡天（如 SDSS 和 GAMA）实现直接比较。

提出的方法

• 利用甚大望远镜（VLT）上的 MOONS 多目标光谱仪，实现从光学到近红外波段（0.8–2.4 µm）的同步覆盖，具备高复用性（最多 1000 根光纤）和高光纤密度。
• 采用双模式观测策略：Xswitch 模式（通过定向观测进行天空背景扣除）和 Stare 模式（专用天空光纤），以优化完整性和背景扣除效果。
• 应用双选择函数：在三个红移窗口（0.9 < z < 1.1，1.2 < z < 1.7，2.0 < z < 2.6）中，依据恒星质量（log M* > 9.5）或视星等（HAB < 23–24）选择星系，以最大化样本多样性。
• 每指向点分配 25% 的光纤用于被动星系，进行重复 8 小时积分以实现高完整性，其余光纤则用于恒星形成星系，曝光时间较短（1–2 小时）。
• 利用模拟和光度样本优化光纤分配与巡天设计，确保 COSMOS 场 80% 的完整性，VIDEO 场 70% 的完整性。
• 对高红移候选体（z > 5）和 AGN 使用专用 8 小时积分，结合宽波段与窄波段光度测量进行选源。

实验结果

研究问题

• RQ1 从 z ≈ 1 到 z ≈ 2.5，质量-金属丰度关系如何演化？其是否保持恒定或发生显著演化？
• RQ2 在宇宙正午时期，环境（星系团、丝状结构、空洞）在抑制恒星形成与转化星系方面发挥何种作用？
• RQ3 在 z ≈ 1–2.5 时，星系的物理性质（如金属丰度、恒星形成速率、恒星质量）如何与大尺度环境相关联？
• RQ4 MOONS 能否在 COSMOS 和 VIDEO 等深空场中对质量限样本实现 ≥80% 的完整性？观测模式（Xswitch 与 Stare）对此有何影响？
• RQ5 对 z ≈ 6–8 的高红移 Lya 演化体和 Lya 发射体候选体，其光谱确认率和红移测量精度如何？

主要发现

• MOONS 可探测关键的发射线，如 z = 3.8 时的 [OII]，z = 2.6 时的 [OIII]，以及 z = 1.74 时的 Ha，从而实现对整个宇宙正午红移范围的光谱红移测量与诊断。
• 该巡天预计将在 0.9 < z < 1.1 红移窗口获得高达 54,500 个星系的高质量光谱，在 1.2 < z < 1.7 窗口获得 12,900 个，在 2.0 < z < 2.6 窗口获得 88,700 个，Xswitch 模式下在 4 平方度范围内总计约 200,000 个星系。
• 在 COSMOS 场，巡天目标为实现 80% 的完整性，每指向点计划观测约 480 个被动星系和约 4,350 个恒星形成星系，预计需约 38 个夜晚的观测时间（含开销）。
• Stare 模式可使观测星系数量几乎翻倍，总观测数可达约 460,000 个，覆盖 7 平方度，前提是背景扣除效果可接受。
• 对高红移候选体（z > 5）将进行 8 小时积分，每指向点分配约数十根光纤用于这些目标，以实现早期星系的确认。
• 通过重新配置光纤布局的重复观测，该巡天设计实现了高完整性，部分目标的积分时间可达 40 小时，确保了环境与标度关系研究的稳健统计能力。