[论文解读] The wide-field, multiplexed, spectroscopic facility WEAVE: Survey design, overview, and simulated implementation

Shoko Jin, S. C. Trager+213 more|arXiv (Cornell University)|Dec 7, 2022

Spectroscopy and Laser Applications被引用 10

一句话总结

本文介绍了威廉赫歇尔望远镜上的WEAVE宽视场、大规模多目标光谱设施的设计、调查策略及模拟实施。该设施可在2度视场内同时对约1000个目标进行多目标光谱观测，支持涵盖银河系考古学、恒星族及星系外宇宙学的八个关键调查项目，模拟数据表明其在5至7年计划中可为数百万颗恒星和星系提供高精度视向速度、金属丰度及详细元素丰度测量。

ABSTRACT

WEAVE, the new wide-field, massively multiplexed spectroscopic survey facility for the William Herschel Telescope, will see first light in late 2022. WEAVE comprises a new 2-degree field-of-view prime-focus corrector system, a nearly 1000-multiplex fibre positioner, 20 individually deployable 'mini' integral field units (IFUs), and a single large IFU. These fibre systems feed a dual-beam spectrograph covering the wavelength range 366$-$959\,nm at $R\sim5000$, or two shorter ranges at $R\sim20\,000$. After summarising the design and implementation of WEAVE and its data systems, we present the organisation, science drivers and design of a five- to seven-year programme of eight individual surveys to: (i) study our Galaxy's origins by completing Gaia's phase-space information, providing metallicities to its limiting magnitude for $\sim$3 million stars and detailed abundances for $\sim1.5$ million brighter field and open-cluster stars; (ii) survey $\sim0.4$ million Galactic-plane OBA stars, young stellar objects and nearby gas to understand the evolution of young stars and their environments; (iii) perform an extensive spectral survey of white dwarfs; (iv) survey $\sim400$ neutral-hydrogen-selected galaxies with the IFUs; (v) study properties and kinematics of stellar populations and ionised gas in $z<0.5$ cluster galaxies; (vi) survey stellar populations and kinematics in $\sim25\,000$ field galaxies at $0.3\lesssim z \lesssim 0.7$; (vii) study the cosmic evolution of accretion and star formation using $>1$ million spectra of LOFAR-selected radio sources; (viii) trace structures using intergalactic/circumgalactic gas at $z>2$. Finally, we describe the WEAVE Operational Rehearsals using the WEAVE Simulator.

研究动机与目标

• 为威廉赫歇尔望远镜上的WEAVE光谱设施设计一项全面的、为期多年的调查计划。
• 实现对银河系恒星族的高精度光谱研究，包括对多达300万颗恒星的相空间和元素丰度测量。
• 利用积分孔径单元和多纤维光谱学，绘制邻近及遥远星系的动力学与电离气体分布。
• 通过大范围射电选源调查，研究恒星形成与吸积的宇宙学演化。
• 利用吸收线光谱学追踪高红移的星系际与星系周围气体。

提出的方法

• WEAVE采用2度视场的主焦点校正器和1000根光纤定位器，实现对最多1000个目标的同时光谱观测。
• 该设施配备双通道光谱仪，覆盖366–959 nm波段，分辨率R ~ 5000，或在R ~ 20,000时分两段波段用于高分辨率研究。
• 包含20个可部署的微型积分孔径单元（IFUs）和一个大型IFU，用于扩展源的空间分辨光谱观测。
• 调查计划被组织为八个独立的科学项目，分别针对不同红移下的恒星、星系和星系际气体。
• 使用模拟观测验证调查设计、观测周期和数据处理流程。
• 通过WEAVE模拟器进行WEAVE运行预演，测试观测策略与数据处理流水线性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 WEAVE如何实现对多达300万颗银河系恒星的高精度视向速度与金属丰度测量？
• RQ2 在z < 0.5条件下，映射星系团与场星系的动力学与电离气体的最优观测策略是什么？
• RQ3 WEAVE如何高效调查100万颗射电选源，以追踪宇宙吸积与恒星形成历史的演化？
• RQ4 WEAVE在分辨高红移星系际气体结构时，其光谱分辨率与多路复用能力的保真度如何？
• RQ5 多纤维与IFU模式的集成如何优化不同天体物理目标的调查科学产出？

主要发现

• WEAVE可获取约300万颗恒星的视向速度与金属丰度，其中约150万颗较亮的场星与疏散星团恒星可获得详细元素丰度。
• 该设施可对约400个中性氢选源星系进行IFU观测，实现其动力学与恒星族的空间分辨研究。
• WEAVE将获取约25,000个红移0.3 ≤ z ≤ 0.7的场星系光谱，支持对遥远星系中恒星与电离气体动力学的研究。
• 对LOFAR选源的射电源调查将提供超过100万条光谱，支持对宇宙吸积与恒星形成历史的分析。
• WEAVE的高复用性（最多1000根光纤）与宽视场（2度）显著提升了调查速度与完备性。
• 来自WEAVE运行预演的模拟数据证实了观测策略与数据处理流水线在大规模调查实施中的稳健性。