在 ELT 上模拟 MOS 科学：莱曼α森林层析成像

通过宇宙时间对大尺度结构进行制图在宇宙学与星系演化研究中具有众多应用。在 $z > 2$，该结构可由中性星系际介质（IGM）示踪，通过观察亮背景源（如类星体与恒星形成星系）密集采样视线方向上的莱曼α（Ly$\alpha$）森林实现。我们研究欧洲极大望远镜（ELT）上计划中的多目标光谱仪 MOSAIC 在 $z \gtrsim 3$ 处对 IGM 进行三维制图的科学潜力。我们模拟了一项对 $3 \lesssim z \lesssim 4$ 星系的巡天，极限星等 $m_{r}\sim 25.5$ mag，天区面积 1 平方度。星系及其光谱（含视线 Ly$\alpha$ 吸收）取自 Horizon-AGN 宇宙学流体动力学模拟提取的光锥。我们针对不同的光谱分辨率与信噪比研究了原始密度场重建的质量。我们证明此类巡天必须达到的最暗星系的最小 $S/N$（每分辨单元）为 $S/N = 4$。我们表明具有此灵敏度的巡天能够稳健提取宇宙学纤维结构，并探测理论预言的朝向纤维的星系恒星质量与恒星形成率梯度。通过模拟 MOSAIC 的实际性能，我们获得 $S/N(T_{\rm obs}, R, m_{r})$ 标度关系。我们估计使用仪器的高复用模式及光谱分辨率 $R=1000~(2000)$ 开展该巡天所需观测时间 $\lesssim 35~(65)$ 晚。发现 ELT 上 MOSAIC 概念仪器巡天能够绘制 $z > 3$ 处 Mpc 尺度的 IGM，因此将与其他计划的 IGM 层析巡天互补且具竞争力。[删节]