[論文レビュー] A Measurement of Anisotropy in the Cosmic Microwave Background on 7-22 Arcminute Scales

E. M. Leitch, S. T. Myers+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 30, 1998

Radio Astronomy Observations and Technology参考文献 3被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、1993年から1996年にかけてオワインズ・バレー・ラジオ天文台（OVRO）で実施された観測により、14.5および31.7 GHzで7–22弧分のスケールにおける宇宙背景放射（CMB）の高分解能測定を提示する。複数エポックのVLAデータを用いて点源による汚染を除去した後、著者たちは31.7 GHzで88%の分散を占めるCMBR成分を特定し、rmsフラクチュエーション振幅が82⁺¹².¹₋₉.¹ μKに達することを明らかにした。これは平坦な宇宙論的モデルと整合的であり、l ~ 600からl ~ 2000の間でCMBの角運動量スペクトルが低下していることを示唆している。

ABSTRACT

We report a measurement of anisotropy in the cosmic microwave background radiation (CMBR) on 7-22 arcminute scales. Observations of 36 fields near the North Celestial Pole (NCP) were made at 31.7 and 14.5 GHz, using the 5.5-meter and 40-meter telescopes at the Owens Valley Radio Observatory (OVRO) from 1993 to 1996. Multi-epoch VLA observations at 8.5 and 15 GHz allow removal of discrete source contamination. After point-source subtraction, we detect significant structure, which we identify with emission from a combination of a steep-spectrum foreground and the CMBR. The foreground component is found to correlate with IRAS 100 micron dust emission. Lack of H-alpha emission near the NCP suggests that this foreground is either high-temperature thermal bremsstrahlung (T_e ~ 10^6 K), flat-spectrum synchrotron or an exotic component of dust emission. On the basis of low-frequency maps of the NCP, we can restrict the spectral index of the foreground to beta >= -2.2. Although the foreground signal dominates at 14.5 GHz, the extracted CMBR component contributes 88\% of the variance at 31.7 GHz, yielding an rms fluctuation amplitude of 82^{+12.1}_{-9.1} microKelvin, including 4.3% calibration uncertainty and 12% sample variance (68% confidence). The equivalent broadband amplitude is dT_{l_e} = 59^{+8.6}_{-6.5} microKelvin at l_e = 589. This measurement, when combined with small angular-scale upper limits obtained at the OVRO, indicates that the CMBR angular power spectrum decreases between l ~ 600 and l ~ 2000 and is consistent with flat cosmological models.

研究の動機と目的

• 7–22弧分のスケールにおける宇宙背景放射（CMB）非一様性を測定すること。
• 特に14.5および31.7 GHzにおける前景放射とCMBRフラクチュエーションを分離すること。
• 北天極付近の前景放射のスペクトル指数および性質を制約すること。
• 高多重数（l ~ 600–2000）におけるCMBの角運動量スペクトルの制約を強化すること。
• 高分解能CMBデータを用いて平坦な宇宙論的モデルとの整合性を検証すること。

提案手法

• 1993年から1996年にかけて、オワインズ・バレー・ラジオ天文台（OVRO）の5.5メートルおよび40メートルの電波望遠鏡を用いて観測が実施された。
• 点源汚染の特定と除去には、8.5および15 GHzで実施された複数エポックのバリエーション・レーダー（VLA）観測データが用いられた。
• 前景放射は、IRAS 100ミクロンのダスト放射と相関させることで、スペクトル的および空間的性質を評価した。
• 北天極領域の低周波数マップに基づき、前景放射のスペクトル指数がβ ≥ -2.2であることが制約された。
• CMBRパワー・スペクトルは、前景および点源を差し引いた残差信号から抽出された。
• 最終的なCMBRフラクチュエーション振幅を導出するにあたり、統計的不確実性を伝搬させ、4.3%の校正誤差および12%のサンプル分散を含めた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 7–22弧分のスケールにおける宇宙背景放射（CMB）非一様性の振幅は何か？
• RQ2 14.5 GHzで支配的である前景放射の性質およびスペクトル指数は何か？
• RQ3 31.7 GHzにおける観測信号のうち、CMBRに起因する割合はどの程度か？
• RQ4 平坦な宇宙論的モデルが予測するように、l ~ 600からl ~ 2000の間でCMBの角運動量スペクトルに低下が見られるか？
• RQ5 観測された前景放射は、熱的ブレムストラールーニング、シンクロトロン放射、または特異なダスト放射によって説明可能か？

主な発見

• 点源および前景放射を差し引いた後、31.7 GHzデータにおいてCMBRが分散の88%を占める。
• 測定されたCMBRのrmsフラクチュエーション振幅は、4.3%の校正不確実性および12%のサンプル分散を含め、82⁺¹².¹₋₉.¹ μKである。68%信頼水準での結果である。
• 等価なバンド幅CMBR振幅は、l_e = 589においてdT_{l_e} = 59⁺⁸.⁶₋⁶.⁵ μKに相当する。
• 前景放射のスペクトル指数はβ ≥ -2.2に制限され、より急勾配のスペクトルは排除された。
• 前景放射はIRAS 100ミクロンのダスト放射と強く相関するが、顕著なH-α放射は認められず、非イオン化起源を示唆する。
• CMBの角運動量スペクトルは、l ~ 600からl ~ 2000の間で低下していると整合的であり、平坦な宇宙論的モデルを支持する。