HSC with TAO NIR ObservationsTo Probe Galaxy Evolution

Kentaro Motohara (IoA, University of Tokyo),TAO Project Team,  and

TAO Project Science Collaborators

TAO : The University of Tokyo Atacama Observatory

A 6.5m IR/Optical telescope

At the highest site on the world (18500ft)⇒ High atmospheric transmittance

50% open use observation / 50% project observation

TAO Project

One of the peaks at the Chajnantor plateau At northern edge of ALMA concession Altitude of 5640m (18500ft) 20deg‐S/30deg‐W

Co. Chajnantor

A pathfinder telescope RC Cassegrain telescope Focal ratio F/12.0 FOV φ10 arcmin Two facility instruments

near‐infrared camera ANIR mid‐infrared camera MAX38

Installed at the summit in 2009

Existing Facility : miniTAO 1.0m

Now Seen in Google Earth, 

in Wikipedia,http://en.wikipedia.org/wiki/List_of_highest_astronomical_observatories

… and Certified as Guinness World Record

Very low water vapor (PWV~0.5mm@25%tile) High transmittance in the infrared

TAO site

continuous windows in the NIR  New windows at 30 um

ATRAN simulation

PWV=5mm

PWV=1mm

PWV=0.5mm

Ver 2.0 :http://www.ioa.s.u‐tokyo.ac.jp/TAO/pjbook/pjbook.html

宇宙論 Ia型超新星サーベイ

銀河形成 Z=1‐3銀河の分光サーベイ 近傍銀河のPaα撮像・分光サーベイ

AGN ダストに埋もれたAGNサーベイ 変光モニタによるダストトーラスの構造

星 小中大質量星、分子雲でのダスト形成プロセス AGB星の中間赤外変光モニタ 晩期型星の分子光球

惑星系形成 Transition ダスト円盤サーベイ

TAO Science

Instrumentation for TAO 6.5m

Two Instruments NIR MOS spectrograph/Imager (SWIMS) MIR Imager/Spectrograph (MIMIZUKU)

Development started from  2009, funded by economy stimulus budget

NIR Camera : SWIMS

Simultaneous‐band Wide field Infrared MOS Spectrograph 9.6’ Φ with 4kx4k pixels Simultaneous 2‐band Imaging 

blue channel : 0.9‐1.4um red channel : 1.5‐2.5um

0.9‐2.5m MOS spectroscopy  with cooled multi‐slit masks max. 30 objects R~1000(0.6”slit) 

IFU module under  feasibility study

2.0m

Filter WheelsFor BBFs & DIspersers

Filter WheelsFor NBFs

NBFs are placed in Converging light 

Dichroic Mirror

Blue Channel( = 0.9‐1.4 m)

Red Channel(= 1.4‐2.5 m)

SWIMS Optics

2channels split by DM at 1.4um Spectroscopy from 0.9‐2.5um

=> accurate line ratios Dual‐band wide‐field imaging

Each focal plane is covered by 2 H2RGs (extendable to4x4)

9.6’

Future

8.1 x 4.0’

1600mm

230mm

2m

SWIMS Manufacturing Underway

MOS Exchanger (Sentencia)

Main Dewar /Cooler(SHI)

HAWAII‐2RGs (Teledyne)

Grism (Optcraft / Richardson)

Aspherical ZnSe Lenses(Optcraft / II‐IV)

Assembly Test at Mitaka New Building (2011/6)

Large Imaging / Spectroscopic Survey using Large amount of Observing Time

Wide Field Deep NIR Survey

0.9‐2.5m corresponds to rest optical wavelength of z=1‐3 galaxies

⇒ precise continuum / line ratio measurement RedshiftBalmer decrementSFR measurementMetallicity measurementAGN diagnosis

Rest Optical Sectroscopy

Ideal for Redshift Survey at z=1‐3 Multi‐Line Observation for wider redshift range

Continuous NIR Window

Little transmittance at TAO site Little transmittance at ~2600m

Advantage of TAO 6.5m/SWIMS Wide FoV High spatial resolution (0.12”/pix, ~0.5”seeing) Complete coverage of redshift Large amount of observing time⇒

NIR Follow‐up Imaging of HSC Deep Imaging Field NIR Follow‐up Spectroscopy of HSC/PFS Redshift Survey 

Collaboration with HSC Survey

Mass Assembly Activity Peaks at z=1‐3 More than 50% of present stellar mass was formed 

Mass Assembly History in the Universe

Hopkins & Beacom 2006

High Redshift Galaxies seem to be assembled not by intense merging⇒ Cold Accretion Model?: Cold gas (<10000K) accretes on a galaxy through filamentary structure

Cold Accretion

Dekel+09

Steidel et al. 2010 NIR spectroscopy of 89 

BX/BMs Redshift of a Galaxy ( ) : 

Emission lines from HII regions in rest‐Optical

Redshift of Cold Gas ( ) :Absorption lines in rest‐UV

‐ So far, no detection

Cold Accretion Model

Steidel+10

Covering fraction is ~1%‐⇒ Larger sample (>few x 1000) is necessary to confirm and study the detail of cold accretion

Difficulties in Observing Cold Accretion

Faucher‐Giguere+11

HSC/PFS surveys will provide numbers of z~2 galaxies (~10000)

PFS provides UV absorption lines⇒

NIR follow‐up observation by TAO/SWIMS⇒

Targeting H 6563 @ 1.5<z<2.6 ~30/FoV 2hr / pointings ~300 pointings=> 600hr = 100 nights

Testing Cold Accretion Model

Metallicity Evolution : Yes/No?

Erb+06 Hayashi, KM+09 

M‐Z relation becomes univeral when normalization by SFR?

Universal Funamental Plane?

Mannucci+10

HSC + NIR imaging surveys Broad‐band SED => Mass, Age, …

SWIMS spectroscopy obtain all the major rest‐optical emission lines  [OII] 3727 : 1.4<z<5.4  H 4861 : 0.9<z<3.9 [OIII] 5007 : z<3.8 H 6563 : z<2.6⇒ Dust extinction, Metallicity, SFR, …

HSC Imaging andSWIMS Spectroscopy

Environmental Effect on Galaxy Evolution

Z=1.5 cluster : Hayashi+11A851 @ Z=0.41 : Koyama+11

Kodama et al: Kakenhi‐Kiban‐B (2012‐2015) 8 MBF : Precise (z~0.02) photo‐z 4 (?) NBFs : Targeted dual emission‐line

MBF/NBF Imaging Survey of Distant Clusters

Exisiting High‐z Cluster Survey Newly discovered high‐z cluster by HSC Survey (~1000)

⇒MBF Imaging Survey : ⇒ NBF Imaging Survey (~50 clusters)⇒ Spectroscopic follow‐up

Large sample with various environment

Cluster/Group Environment Effect at z>1

Target : 2014~???? Will be opened as a PI instrument 2x faster survey speed than MOIRCS Same FoV (7.2’ x 3.6’) Simultaneous 2‐band Imaging (e.g., J and Ks)

SWIMS on Subaru

TAO 6.5m telescope at 5640m Good weather/seeing condition Wide wavelength coverage Capable of large survey

SWIMS : NIR spectrograph under development 9.6’ FoV Planning to go to Subaru First (7.2’x3.6’ FoV on Subaru)

Synergy with HSC/PSF Provides NIR follow‐up capablility 2nd Gen TAO NIR WFC? 

Summary