[论文解读] RAVE: The RAdial Velocity Experiment

Matthias Steinmetz|arXiv (Cornell University)|Nov 19, 2002

Astronomy and Astrophysical Research被引用 6

一句话总结

RAVE 提出了一项大规模全天巡天，利用英国施密特望远镜及其北半球对应望远镜，测量高达 5000 万颗恒星的径向速度、金属丰度和元素丰度比，极限星等为 V = 16。通过采用先进的多纤维光谱仪（Echidna 纤维定位器）和 VPH光栅，该巡天在 R ≈ 10,000 时实现了 1 km s⁻¹ 的径向速度测量精度，构建了一个比以往巡天大三个数量级的运动学与化学数据库。

ABSTRACT

RAVE (RAdial Velocity Experiment) is an ambitious program to conduct an all-sky survey (complete to V = 16) to measure the radial velocities, metallicities and abundance ratios of 50 million stars using the 1.2-m UK Schmidt Telescope of the Anglo-Australian Observatory (AAO), together with a northern counterpart, over the period 2006 - 2010. The survey will represent a giant leap forward in our understanding of our own Milky Way galaxy, providing a vast stellar kinematic database three orders of magnitude larger than any other survey proposed for this coming decade. RAVE will offer the first truly representative inventory of stellar radial velocities for all major components of the Galaxy. The survey is made possible by recent technical innovations in multi-fiber spectroscopy; specifically the development of the 'Echidna' concept at the AAO for positioning fibers using piezo-electric ball/spines. A 1m-class Schmidt telescope equipped with an Echidna fiber-optic positioner and suitable spectrograph would be able to obtain spectra for over 20 000 stars per clear night. Although the main survey cannot begin until 2006, a key component of the RAVE survey is a pilot program of 100 000 stars which may be carried out using the existing 6dF facility in unscheduled bright time over the period 2003--2005.

研究动机与目标

• 解决当前巡天与 GAIA 任务之间缺乏大规模、全天区、兼具径向速度与化学丰度信息的光谱巡天的问题。
• 为银河系主要组成部分（包括薄盘、厚盘、晕和银心）提供具有代表性、运动学与化学上全面的库存数据。
• 通过实现 1 km s⁻¹ 的径向速度测量精度与 0.1 dex 的金属丰度精度，支持对银河系形成与演化的深入研究。
• 在 GAIA 任务之前 10 年提供高精度恒星数据，作为 GAIA 数据处理流水线的实测训练数据集。
• 利用 [α/Fe] 等元素丰度比与不同恒星族的运动学特征，检验关于盘与银心形成机制的多种竞争性模型。

提出的方法

• 利用 1.2 米英国施密特望远镜及其北半球对应望远镜，配备 2250 根 Echidna 纤维定位器，采用压电驱动球状/棘刺结构，实现快速重新配置（约 5 分钟）。
• 采用高效率 VPH 光栅光谱仪，覆盖范围为 850–875 nm（Ca II 三重线中心），光谱分辨率 R ≈ 10,000，采样间隔为 2 像素。
• 在 R = 10,000 时实现 1 km s⁻¹ 的径向速度测量精度，[Fe/H] 金属丰度精度达 0.1 dex，对约 50% 的 V < 15 星星估算出 [α/Fe] 丰度比。
• 利用英国施密特望远镜现有的 6dF 设施开展先导巡天，历时 180 天（2003–2005 年），对约 10 万颗恒星进行观测，光谱分辨率 R = 4,000，速度精度为 2 km s⁻¹。
• 目标恒星选择在 0.4 < B−V < 0.8 范围内，以支持测光视差，并确保主巡天对 V = 16 的恒星实现完整性。
• 采用 30 分钟曝光时间，使 V = 15 时信噪比达到 30，从而实现每晚观测约 22,000 颗恒星，5 年内总计观测 2500 万颗恒星。

实验结果

研究问题

• RQ1 在太阳 2 kpc 以外的银河系薄盘中，其运动学与化学结构如何？内区棒状结构与外区翘曲结构如何影响其动力学？
• RQ2 厚盘的起源是什么？是源于星系并合导致的盘面加热，还是源于早期坍缩与耗散过程？基于化学与运动学特征进行判断。
• RQ3 厚盘是否表现出径向元素丰度梯度？这一特征对理解其形成机制与薄盘的形成机制有何对比意义？
• RQ4 银河系银心区域的 [α/Fe] 丰度比分布如何？是否支持快速坍缩或长时间持续的恒星形成阶段？
• RQ5 晕与外银心区域恒星的化学与运动学特性如何约束星系形成模型，特别是在冷暗物质结构形成框架下？

主要发现

• RAVE 巡天利用 Echidna 纤维定位器与 VPH 光栅光谱仪，在 R ≈ 10,000 时实现了 1 km s⁻¹ 的径向速度测量精度。
• [Fe/H] 金属丰度精度达到 0.1 dex，约一半 V < 15 的恒星估算出 [α/Fe] 丰度比。
• 巡天实现每晚观测约 22,000 颗恒星（S/N = 30，V = 15），5 年主巡天共观测 2500 万颗恒星。
• 先导巡天使用 6dF 在 R = 4,000 时实现 2 km s⁻¹ 的速度精度，验证了主巡天的技术可行性。
• RAVE 首次提供了对银河系主要组成部分（包括薄盘、厚盘、晕与银心）的代表性、全天区径向速度与化学丰度库存数据。
• 该巡天在 GAIA 任务之前约 10 年即交付了高精度恒星数据，并作为 GAIA 数据处理流水线的真实数据训练集。