[论文解读] The DESI Experiment Part I: Science,Targeting, and Survey Design

DESI Collaboration, Amir Aghamousa+291 more|arXiv (Cornell University)|Oct 31, 2016

Astronomy and Astrophysical Research被引用 1,202

一句话总结

DESI 是一个第四阶段（Stage IV）的地基暗能量实验，概述其科学目标、四个类别的目标选择，以及测量 BAO、RSD 和 Ly-α 森林的 survey 设计，覆盖超过 30 million 个星系和类星体的红移。

ABSTRACT

DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument) is a Stage IV ground-based dark energy experiment that will study baryon acoustic oscillations (BAO) and the growth of structure through redshift-space distortions with a wide-area galaxy and quasar redshift survey. To trace the underlying dark matter distribution, spectroscopic targets will be selected in four classes from imaging data. We will measure luminous red galaxies up to $z=1.0$. To probe the Universe out to even higher redshift, DESI will target bright [O II] emission line galaxies up to $z=1.7$. Quasars will be targeted both as direct tracers of the underlying dark matter distribution and, at higher redshifts ($ 2.1 < z < 3.5$), for the Ly-$α$ forest absorption features in their spectra, which will be used to trace the distribution of neutral hydrogen. When moonlight prevents efficient observations of the faint targets of the baseline survey, DESI will conduct a magnitude-limited Bright Galaxy Survey comprising approximately 10 million galaxies with a median $z\approx 0.2$. In total, more than 30 million galaxy and quasar redshifts will be obtained to measure the BAO feature and determine the matter power spectrum, including redshift space distortions.

研究动机与目标

• 将 DESI 项目定位为下一代暗能量探针（Stage IV），利用 BAO 和红移空间畸变。
• 定义四类光谱目标，用成像数据来追踪暗物质，星系红移至 z 最高 1.7，Ly-α 森林至 z 最高 3.5。
• 设计覆盖广域的 survey 策略，以获得 >30 million 个星系和类星体的红移，用于测量 BAO 与结构增长。

提出的方法

• 基于成像数据的目标选择，创建四种光谱样本（LRG 到 z=1，[O II] 发射星系到 z=1.7，用于直接追踪及 Ly-α 森林的类星体在 2.1<z<3.5，Bright Galaxy Survey 在 z≈0.2 时观测条件较差时的选择）。
• 旨在广域覆盖的 survey 设计，以最大化 BAO 测量和包含红移空间畸变（RSD）的物质幂谱。
• 在类星体光谱中使用 Ly-α 森林作为高红移中性氢分布的探针。
• 计划通过整合四类目标来实现 >30 million 的红移。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何优化成像数据以选择 DESI 的四类光谱目标，以在所需红移范围内追踪暗物质？
• RQ2 需要怎样的 survey 设计（覆盖面积、深度、观测策略）才能结合红移空间畸变和 Ly-α 森林信号测量 BAO 特征和结构增长？
• RQ3 需要获得多少星系和类星体红移以约束暗能量和物质幂谱？
• RQ4 如何利用类星体的 Ly-α 森林观测扩展 DESI 的高红移覆盖，并与星系聚簇测量互补？

主要发现

• DESI 旨在通过广域光谱调查，利用 redshift-space distortions 测量 BAO 与结构增长。
• 目标包括四类：高光度红星系至 z=1、明亮的 [O II] 发射线星系至 z=1.7、用于直接追踪与 Ly-α 森林至 z≈3.5 的类星体，以及观测条件较差时的 z≈0.2 明亮星系调查。
• 该调查计划获得超过 30 million 个星系和类星体红移，以绘制 BAO 特征并确定物质幂谱。
• 类星体既用作潜在暗物质的跟踪器，也用作 Ly-α 森林分析的背光源，从而实现高红移测量。
• 该设计整合目标选择、调查策略和数据产物，以优化宇宙膨胀与结构增长的测量。