[论文解读] The Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI)

M. E. Levi, Allen, Lori E.+43 more|HAL (Le Centre pour la Communication Scientifique Directe)|Jul 24, 2019

Astronomy and Astrophysical Research参考文献 2被引用 22

一句话总结

DESI 是安装在基特峰望远镜的梅纳尔 4 米望远镜上的多纤维光谱仪，旨在开展为期 5 年的 14,000 平方度的巡天，测量 3400 万个星系和类星体的红移，通过重子声学振荡和红移空间畸变研究暗能量。凭借 5000 根机械定位的纤维和 360–980 nm 波段的高throughput 光谱测量，它实现了精确的宇宙学和恒星巡天，作为世界一流的设施持续运行至 2020 年代，并具备在 2025 年后继续运行的潜力。

ABSTRACT

We present the status of the Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) and its plans and opportunities for the coming decade. DESI construction and its initial five years of operations are an approved experiment of the US Department of Energy and is summarized here as context for the Astro2020 panel. Beyond 2025, DESI will require new funding to continue operations. We expect that DESI will remain one of the world's best facilities for wide-field spectroscopy throughout the decade. More about the DESI instrument and survey can be found at https://www.desi.lbl.gov.

研究动机与目标

• 开展为期 5 年的星系和类星体宽视场光谱巡天，利用重子声学振荡和红移空间畸变探测暗能量。
• 实现高复用率和高throughput，以在宽红移范围（0 < z < 3.5）内高效测量红移。
• 通过安装在工作台上的热稳定性光谱仪，实现对恒星和星系目标的径向速度测量精度约 1 km/s。
• 通过识别可行的巡天扩展方案，支持 2025 年后科学目标，包括高红移目标、莱曼-阿尔法森林研究和银河系巡天。
• 通过每年发布数据集并附带选择函数和模拟星场，支持数据驱动的宇宙学探针，用于聚类分析。

提出的方法

• DESI 利用 5000 根机械定位的纤维分布在 8 平方度的焦平面上，收集天体源的光，并将其导入 10 台三臂光谱仪。
• 光谱仪覆盖 360–980 nm 波段，在紫外波段的光谱分辨率 R > 2000，在红光和红外波段 R > 4000，可实现高精度的红移和径向速度测量。
• 仪器采用工作台安装设计以保证热稳定性，确保速度测量精度约 1 km/s，这对宇宙大尺度结构研究至关重要。
• 目标选择基于遗产巡天（布兰科、梅纳尔、博克望远镜）和 WISE 数据的深度成像，识别明亮红星系、发射线星系和类星体。
• 巡天采用分层策略：利用暗夜/灰夜时间观测高红移目标（z > 0.6），利用亮夜时间观测低红移星系（中值 z ~ 0.2），在限制河外观测的条件下执行备份的恒星观测程序。
• 数据每年发布一次，附带完整的选择函数和模拟星场，以支持宇宙学聚类和系统误差建模。

实验结果

研究问题

• RQ1 宽视场、高复用率的光谱巡天如何利用重子声学振荡以亚百分之一精度测量宇宙距离尺度？
• RQ2 在 0 < z < 3.5 范围内，针对发射线星系和类星体的最优目标选择策略是什么，以最大化大尺度结构的采样效率？
• RQ3 DESI 的高throughput、高稳定性光谱仪是否能够实现对恒星的径向速度测量，精度达到约 1 km/s，以研究银河系动力学？
• RQ4 DESI 在 2025 年后最具前景的科学扩展方向是什么，特别是在高红移星系巡天和莱曼-阿尔法森林研究方面？
• RQ5 DESI 如何通过针对性的高精度光谱测量，与 LSST、Euclid 和 SPHEREx 等未来成像巡天形成互补？

主要发现

• DESI 于 2019 年 10 月实现光谱首光，2020 年 1 月完成全部调试，使 5 年巡天于 2020 年夏季正式启动。
• 仪器从大气顶层到探测光子的总throughput 超过 50%，配合 5000 根纤维和 1.5" 纤维芯径，实现了高效率观测。
• 巡天将产出 3400 万个红移：240 万个类星体，400 万个明亮红星系（0.3 < z < 1），以及 1800 万个发射线星系（0.6 < z < 1.6），并在 z > 2 的 60 万条视线方向测量莱曼-阿尔法森林。
• 亮夜程序将对约 1000 万个星系进行巡天，极限星等 r ≈ 19.5，中值红移约 0.2，覆盖体积超过 SDSS MAIN 和 2dF GRS 的 10 倍以上。
• 由于采用工作台安装、热稳定性设计，径向速度精度保持在约 1 km/s，支持高精度的径向速度测量。
• 计划每年发布数据集，附带选择函数和模拟星场，以支持稳健的宇宙学聚类和系统误差研究。