[論文レビュー] A Space Mission to Map the Entire Observable Universe using the CMB as a Backlight

Kaustuv Basu, M. Remazeilles+23 more|arXiv (Cornell University)|Sep 4, 2019

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 12被引用数 3

ひとこと要約

本論文では、宇宙背景放射（CMB）をバックライトとして用いる宇宙望遠鏡であるBACKLIGHTミッションを提案する。重力レンズ効果および複数のサニャエフ＝ゼルドビッチ効果（tSZ、kSZ、pSZ、rSZ）を測定することで、高い感度と空間分解能を実現し、観測可能な全宇宙にわたる質量、ガス、星の物質の完全な統計をとる。

ABSTRACT

This Science White Paper, prepared in response to the ESA Voyage 2050 call for long-term mission planning, aims to describe the various science possibilities that can be realized with an L-class space observatory that is dedicated to the study of the interactions of cosmic microwave background (CMB) photons with the cosmic web. Our aim is specifically to use the CMB as a backlight -- and survey the gas, total mass, and stellar content of the entire observable Universe by means of analyzing the spatial and spectral distortions imprinted on it. These distortions result from two major processes that impact on CMB photons: scattering by electrons (Sunyaev-Zeldovich effect in diverse forms, Rayleigh scattering, resonant scattering) and deflection by gravitational potential (lensing effect). Even though the list of topics collected in this White Paper is not exhaustive, it helps to illustrate the exceptional diversity of major scientific questions that can be addressed by a space mission that will reach an angular resolution of 1.5 arcmin (goal 1 arcmin), have an average sensitivity better than 1 uK-arcmin, and span the microwave frequency range from roughly 50 GHz to 1 THz. The current paper also highlights the synergy of our BACKLIGHT mission concept with several upcoming and proposed ground-based CMB experiments.

研究の動機と目的

• 観測可能な全宇宙にわたる質量、ガス、星の物質の完全な統計をとること。
• バリオンの分布および物理的状態、特に原始ガスから星への進化を解明すること。
• ダークエネルギー、ダークマターの性質、および一般相対性理論の宇宙スケールでの逸脱をテストすること。
• 初の高精度で大スケールでの運動論的および移動レンズ効果を用いた宇宙速度場の測定。
• CMBの重力レンズ効果と多周波数のSZ信号、レンズ効果の校正を組み合わせることで、精密宇宙論を実現すること。

提案手法

• 50 GHz から 1 THz の周波数帯域で、3～6メートルの冷やした宇宙望遠鏡を運用し、高いダイナミックレンジとスペクトル分解能を達成する。
• tSZ、kSZ、pSZ、rSZ、非熱的SZ、および前景放射を分離するため、少なくとも20の周波数チャンネルを実装する。
• 100～250 GHz の周波数帯で平均感度を約0.1 µK-arcminに達成し、フィラメントや低質量ハローからの微弱な信号を検出可能にする。
• 偏光に敏感なイメージングを用いて偏光SZ効果を検出するとともに、CMBの重力レンズ測定における系誤差をモニタリングする。
• 地上ベースのCMB-S4調査と組み合わせることで、300 GHz未満の周波数帯で深さと空間分解能を向上させる。
• 多周波数マップから弱い重力レンズ効果、運動論的効果、相対論的SZ効果を抽出するための高度な信号分離技術を適用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 宇宙網のクラスターやフィラメントにまで及ぶ、ダークマターおよびバリオンの完全な分布はどのようなものか？
• RQ2 バリオンは原始ガスから星へどのように進化するのか？また、宇宙線フィードバックのエネルギー予算はいかなるものか？
• RQ3 kSZパワースペクトルにおける原始非ガウス性の兆候は何か？
• RQ4 一般相対性理論からの逸脱は、大規模構造の重力レンズ効果および速度場にどのように現れるか？
• RQ5 ダークエネルギーの正確な性質と、宇宙時間にわたる状態方程式は何か？

主な発見

• 100～250 GHz で約0.1 µK-arcminの感度を達成でき、低質量ハロー（M ~5×10^13 M⊙）からのtSZおよびkSZ信号の検出が可能となる。
• 300 GHz で1′～1.5′のビーム分解能が必要であり、これはクラスターサイズのハローを解像し、地上望遠鏡調査と一致させるために不可欠である。
• 地上データがなくても、本ミッションはすべてのコア科学的目標を独立して達成可能であるが、CMB-S4との連携により深さと分解能が向上する。
• 偏光感度のおかげでpSZの検出とレンズ信号の校正が可能となり、質量測定における系誤差が低減される。
• 50～1000 GHz の多周波数観測により、SZ、ダスト、CIB信号の完全な分離が可能となり、スペクトルエネルギー分布の正確なモデリングが可能となる。
• 本ミッションは、kSZおよび移動レンズ効果を用いて、初の全天空で高精度な宇宙速度場マップを提供し、宇宙スケールでの重力の精密テストを可能にする。