[论文解读] Wide-field Multi-object Spectroscopy to Enhance Dark Energy Science from LSST

Jeffrey A. Newman, J. Blazek+15 more|arXiv (Cornell University)|Mar 21, 2019

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 64被引用 1

一句话总结

本文提出，在8–40米望远镜上开展大视场、多目标红光学光谱观测（MOS），将显著提升LSST在暗能量测量方面的性能，通过改善光度红移测定、约束星系环境依赖性以及减少混淆效应。其核心贡献在于：深度、面向全体科研社区开放的MOS巡天，可为LSST多个科学计划中的更多精确宇宙学探针提供支持。

ABSTRACT

Community access to deep (i ~ 25), highly-multiplexed optical and near-infrared multi-object spectroscopy (MOS) on 8-40m telescopes would greatly improve measurements of cosmological parameters from LSST. The largest gain would come from improvements to LSST photometric redshifts, which are employed directly or indirectly for every major LSST cosmological probe; deep spectroscopic datasets will enable reduced uncertainties in the redshifts of individual objects via optimized training. Such spectroscopy will also determine the relationship of galaxy SEDs to their environments, key observables for studies of galaxy evolution. The resulting data will also constrain the impact of blending on photo-z's. Focused spectroscopic campaigns can also improve weak lensing cosmology by constraining the intrinsic alignments between the orientations of galaxies. Galaxy cluster studies can be enhanced by measuring motions of galaxies in and around clusters and by testing photo-z performance in regions of high density. Photometric redshift and intrinsic alignment studies are best-suited to instruments on large-aperture telescopes with wider fields of view (e.g., Subaru/PFS, MSE, or GMT/MANIFEST) but cluster investigations can be pursued with smaller-field instruments (e.g., Gemini/GMOS, Keck/DEIMOS, or TMT/WFOS), so deep MOS work can be distributed amongst a variety of telescopes. However, community access to large amounts of nights for surveys will still be needed to accomplish this work. In two companion white papers we present gains from shallower, wide-area MOS and from single-target imaging and spectroscopy.

研究动机与目标

• 通过提供深度、高度复用的光谱训练数据，提升LSST所有主要宇宙学探针所用光度红移测定的准确性。
• 通过测量密集环境中的星系谱能分布（SED），约束混淆效应对光度红移不确定性的影晌。
• 通过有针对性的光谱观测活动，测量星系取向之间的固有对齐效应，从而提升弱引力透镜宇宙学研究的精度。
• 通过测量星系团内及周围星系的径向速度，推进星系团研究，并验证高密度区域的光度红移性能。
• 在具有不同视场能力的多台大口径望远镜上，实施分布式、面向全体科研社区开放的MOS巡天策略。

提出的方法

• 利用8–40米望远镜上的深度（i ~ 25）、高度复用的光学与近红外MOS，为LSST校准和训练光度红移。
• 在大口径、大视场望远镜（如昴星团/PFS、MSE、GMT/MANIFEST）上部署聚焦的光谱观测活动，用于光度红移与固有对齐研究。
• 使用小视场仪器（如凯克/DEIMOS、Gemini/GMOS、TMT/WFOS）对需要高空间分辨率的目标星系团开展针对性调查。
• 收集光谱数据以测量星系团中星系的运动，从而实现动力学质量估算，并在密集环境中验证光度红移性能。
• 整合光谱数据集，建立星系谱能分布（SED）与其环境属性之间关系的模型。
• 利用高保真光谱红移数据优化光度红移算法的训练集，以降低LSST宇宙学生样本中的不确定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 深度、大视场多目标光谱观测在何种程度上可降低LSST在多样化星系群体中光度红移的不确定性？
• RQ2 星系SED的环境效应在多大程度上影响光度红移的准确性？光谱观测如何量化这些依赖关系？
• RQ3 密集场中的混淆效应如何影响光度红移性能？光谱数据是否有助于校准这些系统误差？
• RQ4 星系固有对齐效应对弱引力透镜宇宙学的影响是什么？有针对性的MOS观测活动如何约束这一效应？
• RQ5 在星系团等高密度区域，如何通过光谱后续观测验证光度红移性能？

主要发现

• 在8–40米望远镜上开展深度、面向全体科研社区开放的MOS，将显著降低LSST中光度红移的不确定性，从而实现对红移算法的最优训练。
• 光谱数据将约束星系SED与其环境之间关系，从而改善星系演化与光度红移系统误差的建模。
• 通过在密集区域使用高保真光谱测量，可量化并缓解混淆效应对光度红移的影响。
• 聚焦的光谱观测活动可通过测量星系取向间的固有对齐效应，提升弱引力透镜宇宙学研究的精度。
• 星系团研究可从径向速度的光谱测量以及高密度环境中光度红移性能的验证中获益。
• 采用大视场与小视场仪器相结合的分布式方法，可实现对多样化宇宙学目标的全面光谱覆盖。