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E uropean S PICA I nstrument ESI Denis Burgarella Obervatoire Astronomique Marseille Provence - PowerPoint PPT Presentation


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E uropean S PICA I nstrument ESI Denis Burgarella Obervatoire Astronomique Marseille Provence Laboratoire d’Astrophysique de Marseille Représentant les membres français de l’ESI Study Group. Team (P.I.: Bruce Swiyard, Cardiff). David Elbaz c , Jean-Paul Kneib t.

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Presentation Transcript

European SPICA Instrument

ESI

Denis Burgarella

Obervatoire Astronomique Marseille Provence

Laboratoire d’Astrophysique de Marseille

Représentant les membres français de l’ESI Study Group

European SPICA Instrument


Team p i bruce swiyard cardiff
Team (P.I.: Bruce Swiyard, Cardiff)

David Elbaz c, Jean-Paul Kneib t

European SPICA Instrument


Progr s dans les observatoires fir
Progrès dans les observatoires FIR

Les progrès dans les observatoires IR ont été incrémentaux:

  • IRAS – petit miroir, courte durée de vie, première mission “All Sky”

  • ISO – petit miroir, durée de vie plus longue, suite d’instruments sophistiquée pour suivi IRAS

  • Spitzer – petit miroir, design cryogénique permettant une plus longue durée de vie et meilleurs détecteurs

  • Akari – survey IRAS de nouvelle génération avec meilleurs résolution angulaire

  • Herschel – grand miroir chaud, durée de vie modérée, résolutions spatiale et spectrale supérieures

  • SPICA est l’étape suivante logique – grand miroir refroidi, durée de vie allongée, meilleurs détecteurs

European SPICA Instrument


Qu est ce que spica

ISAS : Institute of Space and Astronautical Science

JAXA : Japanese Aerospace Exploration Agency

Qu’est ce que SPICA ?

European SPICA Instrument


Suite instrumentale pour spica
Suite instrumentale pour SPICA

=> Japon

European SPICA Instrument


Star formation

Metal production

Dust formation

Dust

FIR

UV

The role des poussières dans les galaxies

Une formaiton stellaire active s’accompagne toujours d’une formation de grains de poussière.

  • Les photons UV et optique sont diffusés et absorbés par la poussière puis, réémis dans le domaine FIR.

  • Pour estimer la quantité de formation stellaire non détectée dans l’UV, il faut réaliser une mesure dans le FIR

Une vision non biaisée de la formation stellaire cosmique et de son histoire doit utiliser, à la fois, les informations provenant de l’UV et du FIR.

European SPICA Instrument


Evolution de la densité de formation stellaire dans l’UV et le FIR

Takeuchi, Buat, Burgarella (2005)

Formation Stellaire enfouie

Formation Stellaire UV

La fraction de formaiton stellaire enfouie dans la poussière passe de 50-60% localement à 80% à z = 1.

European SPICA Instrument


Pourquoi un nouvel instrument dans le domaine 20 200 m
Pourquoi un nouvel instrument dans le domaine 20 - 200 et le FIRm ?

  • Entre 28 m (H2) and 205 m (NII), plusieurs des raies importantes  cible “naturelle”

  • En particulier, la bande entre 35 et 57 microns peu explorée:

    • Spectroscopie ISO gênée par de modestes performances du détecteur

    • Spitzer IRS n’observe pas au-delà de 35 microns et la surface collectrice relativement faible

    • Herschel commence à ~57 microns

    • Détecteurs Si:As (p.e. JWST-MIRI) s’arrêtent à 28 microns

    • Une caméra dans le domaine 40-60 m profiterait pleinement des performances d’un télescope de 3.5m refroidi (performances, résolution angulaire)

  • Un héritage européen non négligeable dans ce domaine

European SPICA Instrument


Emission dans le mir fir
Emission dans le MIR/FIR … et le FIR

  • ISO et Spitzer ont montré qu’il existait des structures du MIR au FIR d’origine diverses à tout redshift

  • Comprendre le spectre des galaxies dans le domaine MIR/FIR est le meilleur moyen de mieux estimer les conditions physiques dans les galaxies

  • Comprendre le spectre des galaxies dans le domaine MIR/FIR est le meilleur moyen de mieux estimer la “côté sombre” de la formation stellaire

European SPICA Instrument


Back to the original paper by Helou & Breichman (1990, In ESA, From Ground-Based to Space-Borne Sub-mm Astronomy p. 117)

  • Decomposition of confusion limit into several components:

    • Telescope & Detector

    • Bright cirrus

    • Galaxies

  • (1) valid for a 4-m passively cooled telescope in Earth orbit (not SPICA)

(1)

(2)

(3)

European SPICA Instrument


L avantage de spica esi une histoire de backgrounds
L’avantage de SPICA/ESI: ESA, From Ground-Based to Space-Borne Sub-mm Astronomy p. 117)une histoire de « backgrounds »

  • Detection limit over the band 50 - 200 m is taken to ~ 50 Jy in 1h and at 5 (= 5 cm-1)

  • Several confusions :

    • Cirrus emission

    • Extragalactic sources

  • Latter will be dominant for large telescopes like Herschel and SPICA (Kiss, Klass & Lemke 2005 A&A 430, 343)

  • Dole et al. (2004 ApJS 154, 93) compute total confusion limits ( ) for SPICA

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Battre la confusion par la haute r solution spectrale
Battre la confusion par la haute résolution spectrale ESA, From Ground-Based to Space-Borne Sub-mm Astronomy p. 117)

European SPICA Instrument


L imagerie est importante
L’imagerie est importante ESA, From Ground-Based to Space-Borne Sub-mm Astronomy p. 117)

European SPICA Instrument


L imagerie profonde fir multi est cruciale
L’imagerie profonde FIR (multi- ESA, From Ground-Based to Space-Borne Sub-mm Astronomy p. 117)) est cruciale

  • IRAS Deep Field (Keel et al. 1998): champ de 0.5°x1.5° jusqu’à 10 mJy et z ~ 0.51

  • ISO HDF South (Oliver et al. 2002): champ de 2.5-arcmin de rayon jusqu’à ~ 100 Jy et z ~ 1.5

  • Spitzer GOODS (Dickinson & Giavalisco 2003): champ de 160-arcmin2 jusqu’à 20 Jy et z ~ 3

European SPICA Instrument


Imagerie profonde avec herschel
Imagerie profonde avec Herschel ESA, From Ground-Based to Space-Borne Sub-mm Astronomy p. 117)

Limit

Un-confused

Confused

European SPICA Instrument


Performances
Performances ESA, From Ground-Based to Space-Borne Sub-mm Astronomy p. 117)

European SPICA Instrument


Bandes taille des pixels champs
Bandes, taille des pixels, champs, … ESA, From Ground-Based to Space-Borne Sub-mm Astronomy p. 117)

European SPICA Instrument


Detectors are the key
Detectors are the key…. ESA, From Ground-Based to Space-Borne Sub-mm Astronomy p. 117)

Options in existing photo-detector technology to cover the 35 to 57 micron band

___________________________

  • Bolometric detectors in the FIR have NEPs ~ few 10-17 W/Hz-1/2

  • Large bolometer arrays can be fabricated: PACs; SCUBA-II, etc

  • State of the art FIR photo-detectors (SOAP) have NEPs ~ 1x10-18 W/Hz-1/2

  • Transition Edge Superconducting technology (TES) is being developed– fast; sensitive; scalable ...

  • TES arrays could achieve 1x10-19 W/Hz-1/2 in a timescale compatible with SPICA….

  • … but they need to operate at <~100 mK

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Instrument nep
Instrument NEP ESA, From Ground-Based to Space-Borne Sub-mm Astronomy p. 117)

GREEN = GOAL

PURPLE = SOAP

ZODI with FTS

NEP 1e-18 W Hz-1/2

/ 10

ZODI with R=2000

Wavelength

European SPICA Instrument


Continuum
Continuum ESA, From Ground-Based to Space-Borne Sub-mm Astronomy p. 117)

  • En bande large, nous pourrions atteindre des sensibilités (5-s 1 hour)

  • ~ 5-10 Jy (goal)

  • 20-100 Jy (photoconducteurs disponibles)

  • avec Ds = 5 cm-1 (R=50 à 40 mm) nous atteignons 1 mJy

  • A une résolution équivalente à ISO/LWS nous atteingnons 4 mJy (100x plus sensible)

Herschel

ALMA

JWST

ESI

LBGs: galaxies sélectionnées en UV

NGC 4414: une galaxie normal

Excellente synergie

JWST + SPICA + Herschel + ALMA

European SPICA Instrument


Raies vs redshift
Raies vs. redshift ESA, From Ground-Based to Space-Borne Sub-mm Astronomy p. 117)

1e+4

z=0.1

z=0.1

CII

1e+2

z=0.5

z=0.5

z=1

OI

1e 0

z=1

Limite detection (5sig, 10h, 10^-20 W/m2)

z=2

z=3

NeIII

z=3

NeII

1e-2

NeIII

z=5

1e-4

0

300

200

Longueur d’onde (um)

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O en sommes nous
Où en sommes-nous ? ESA, From Ground-Based to Space-Borne Sub-mm Astronomy p. 117)

  • Un petit groupe d’instituts/individus a mené une étude de concept de juin 2004 à mars 2005

  • Les résultats ont été présentés à ISAS/JAXA et le concept a été accepté

  • Nous sommes en train de mener une étude de faisabilité avec un nombre plus important d’instituts/individus

  • Objectif #1: ré-étudier les objectifs scientifique de ESI et les conséquences sur des spécifications instrumentales

  • ISAS/JAXA a déclaré à l’ESA qu’elle serait intéressée par la fourniture d’un miroir primaire de 3.5m par l’ESA

  • Nous allons proposer SPICA/ESI en réponse à l’appel d’offre Cosmic Vision de l’ESA avec les options suivantes: fourniture du miroir primaire et peut-être d’un support sol accompagnant l’instrument, sur une base de financement nationale.

  • Lancement aux alentours de 2015 (?)

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ESA Cosmic Vision ESA, From Ground-Based to Space-Borne Sub-mm Astronomy p. 117)

European SPICA Instrument


Phase B en 2008 ESA, From Ground-Based to Space-Borne Sub-mm Astronomy p. 117)

Phase A en 2007

1 - 1.5 B€

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Key requirements
Key Requirements ESA, From Ground-Based to Space-Borne Sub-mm Astronomy p. 117)

  • Wavelength coverage over at least 35 to 210 micron with a design driver to achieve 28-210 micron (unless covered by other instrument)

  • A photometric camera mode with R~3 to 5

  • Medium resolution spectroscopy mode with at least R = 2000

  • As large an instantaneous wavelength coverage as possible for spectroscopy but not at the expense of spectral resolution

  • 3-D mapping to be as fast as possible

  • “Instantaneous” field of view of ~1 arcmin in spectroscopic mode

  • An instantaneous field of view of at least 2x2 arcmin in camera mode

  • Spatial resolution should be emphasised at the expense of field of view

  • Line sensitivity of <10 x10-20 W m-2 (5-σ 1 hour) with goal to be <5x10-20 W m-2

  • Continuum sensitivity of <50 Jy with goal 10 Jy

  • A method of allowing the observation in spectroscopic mode of bright targets must be implemented

  • High resolution spectroscopy over targeted wavelength ranges is highly desirable

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From kaneda san isas jaxa
From Kaneda-san (ISAS-JAXA) ESA, From Ground-Based to Space-Borne Sub-mm Astronomy p. 117)

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From kaneda san isas jaxa1
From Kaneda-san (ISAS-JAXA) ESA, From Ground-Based to Space-Borne Sub-mm Astronomy p. 117)

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Proposition of program for spica esi for a continuum survey at 50 m
Proposition of Program for SPICA/ESI for a continuum survey at ~ 50 µm

  • Title: Evaluating the Total (UV + FIR) Star Formation Density from z=0 to z=2

  • Aim: To detect ALL the galaxies forming the bulk of the star formation up to z=2

  • Method: Survey of several hundreds of arcmin2 (to avoid cosmic variance)

  • Estimated observing time: 1 hr / field (or more….) 800 arcmin2 (0.2 deg2)

     200 hours (assuming 50 Jy)

Very High Synergy

ELT +JWST+SPICA+Herschel+ALMA

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Deux options instrumentales pour esi
Deux options instrumentales pour ESI at

Imaging FTS

IFU Grating

European SPICA Instrument


Merci pour votre attention
Merci pour votre attention at

Conclusions:

  • SPICA / ESI profite grandement d’une expertise européenne et française dans le domaine de l’infrarouge moyen et lointain

  • Un besoin scientifique clair existe dans ce domaine de longueurs d’onde (20 - 200m) dans le domaine des galaxies (aussi bien proches que lointaines) et de la formation stellaire des galaxies

  • SPICA / ESI vient en complément des grands télescopes au sol, de HST, de JWST, de Herschel et de ALMA

  • Les modes envisagées (imagerie et spectroscopie à R = qqs 1000) répondent à une attente de la communauté « PNG », ce qui se traduit par une forte présence du PNG dans le groupe d’étude et des propositions allant dans le sens d’une évolution vers une « culture PNG »: imagerie et spectroscopie à haute résolution angulaire pour études physique et statistique des galaxies.

  • Le soutien du PNG est important dans le cadre de Cosmic Vision

European SPICA Instrument


Nos activit s au lam
Nos activités au LAM at

  • Objectifs Scientifiques (A. Boselli, V. Buat, D. Burgarella, J.-P. Kneib, A. Zavagno)

  • Design Optique (S. Vivès, K. Dohlen)

  • Traitement de données (C. Surace)

  • Simulations (D. Burgarella, C. Ambrosi): http://sos.project.free.fr/page_simulator_fr.php

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