[论文解读] The Future of Multi-Object Spectroscopy: a ESO Working Group Report

Richard S. Ellis, Joss Bland‐Hawthorn+7 more|arXiv (Cornell University)|Jan 8, 2017

Astronomy and Astrophysical Research被引用 11

一句话总结

本欧洲南方天文台（ESO）工作组报告提出建造一台10–12米级的光学时域光谱巡天望远镜，其视场达5平方度，以实现变革性的天体物理学研究。该望远镜将开展对银河系及本星系群的深度化学动力学巡天，通过红移z=2–5的发射线与吸收线光谱追踪宇宙大尺度结构的演化，并支持对LSST暂现源的后续观测，建议进一步开展概念设计研究。

ABSTRACT

(Abridged) We consider the scientific case for a large aperture (10-12m class) optical spectroscopic survey telescope with a field of view comparable to that of LSST. Such a facility could enable transformational progress in several areas of astrophysics, and may constitute an unmatched capability for decades. Deep imaging from LSST and Euclid will provide accurate photometry for spectroscopic targets beyond the reach of 4m class instruments. Such a facility would revolutionise our understanding of the assembly and enrichment history of the Milky Way and the role of dark matter through chemo-dynamical studies of tens of millions of stars in the Local Group. Emission and absorption line spectroscopy of redshift z=2-5 galaxies can be used to directly chart the evolution of the cosmic web and examine its connection with activity in galaxies. The facility will also have synergistic impact, e.g. in following up live and transpired transients found with LSST, as well as providing targets and the local environmental conditions for follow-up studies with E-ELT and future space missions. Although our study is exploratory, we highlight a specific telescope design with a 5 square degree field of view and an additional focus that could host a next-generation panoramic IFU. We discuss some technical challenges and operational models and recommend a conceptual design study aimed at completing a more rigorous science case in the context of a costed technical design.

研究动机与目标

• 评估在极大望远镜（E-ELT）时代之后，大口径、大视场光学光谱巡天望远镜的科学潜力。
• 解决在深空、大范围区域对恒星与星系进行多目标光谱观测能力的空白。
• 识别下一代巡天设施所必需的关键天体物理科学驱动力，该设施需具备高复用率与大视场。
• 推荐开展一项概念设计研究，以实现技术可行且科学突破性的望远镜。

提出的方法

• 提出建造一台10–12米级望远镜，视场为5平方度，以实现对数百万目标的高复用率光谱观测。
• 在专用焦面集成新一代全景积分场单元（IFU），用于扩展源的空间分辨光谱观测。
• 利用与LSST和Euclid的协同效应，实现天体的测光目标选择与红移估计。
• 以4米级望远镜的现有数据为基准，定义更大望远镜的科学优势。
• 基于实际观测条件、复用率与灵敏度估计，建立巡天性能模型。
• 开展技术与运行评估，识别关键工程挑战与运行模式。

实验结果

研究问题

• RQ1 若对银河系及本星系群开展大视场、高通量的光谱巡天，将可能实现哪些科学突破？
• RQ2 5平方度的视场如何使我们能够通过红移z=2–5的星系发射线与吸收线光谱研究宇宙大尺度结构的演化？
• RQ3 未来巡天望远镜的最优设计为何种形式，以最大化与LSST、Euclid及E-ELT的协同效应？
• RQ4 为实现此类设施，必须克服哪些技术和运行挑战？
• RQ5 与其它未来设施相比，该设施的科学投资回报率如何？

主要发现

• 一台10–12米级、视场为5平方度的望远镜，可实现对银河系及本星系群中数千万颗恒星的化学动力学研究，彻底革新对星系形成与暗物质的理解。
• 该设施将能够通过红移z=2–5星系的发射线与吸收线光谱，直接绘制宇宙大尺度结构，建立大尺度结构与星系演化之间的联系。
• 与LSST和Euclid的协同将使我们能对4米级望远镜无法触及的深空区域实现测光目标选择，并开展后续光谱观测。
• 在专用焦面集成新一代全景IFU，将使扩展源的空间分辨光谱观测成为可能，显著提升科学产出。
• 报告识别出在光学系统、焦面设计与数据处理方面存在重大技术挑战，但结论认为应启动概念设计研究。
• 所提议的设施在数十年内将保持科学上的领先地位，可在多个天体物理领域提供变革性能力。