[論文レビュー] Characterization of foreground emission at degree angular scale for CMB B-modes observations. Thermal Dust and Synchrotron signal from Planck and WMAP data

N. Krachmalnicoff, C. Baccigalupi+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 2, 2015

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 37被引用数 20

ひとこと要約

本研究では、プランクおよびWMAPデータを用いて、度単位の角スケールにおける偏光したシンクロトロン放射および熱的チリ放射を特徴づけ、CMB Bモード信号への汚染を評価する。その結果、全天空にわたり100 GHz未塔の周波数でシンクロトロンforegroundが依然として重大で排除できない汚染源であることが判明した。最小foreground振幅（r_{FG,min}）は約0.05から約1.5の範囲にあり、今後のCMB実験における正確なforeground除去のため、低周波数データの改善が不可欠である。

ABSTRACT

We quantify the contamination from polarized diffuse Galactic synchrotron and thermal dust emissions to the B-modes of the CMB anisotropies on the degree angular scale, using data from the Planck and WMAP satellites. We compute power spectra of foreground polarized emissions in 352 circular sky patches located at Galactic latitude |b|>20°, each of which covering a fraction of the sky of about 1.5%. We make use of the spectral properties derived from Planck and WMAP data to extrapolate, in frequency, the amplitude of synchrotron and thermal dust B-modes spectra in the multipole bin centered at $\ell\simeq80$. In this way we estimate, for each analyzed region, the amplitude and frequency of the foreground minimum. We detect both dust and synchrotron signal, at degree angular scale and at 3 confidence level, in 28 regions. Here the minimum of the foreground emission is found at frequencies between 60 and 100 GHz with an amplitude,expressed in terms of the equivalent tensor-to-scalar ratio, r_FG, between ~0.06 and ~1. Some of these regions are located at high Galactic latitudes, in areas close to the ones which are being observed by sub-orbital experiments.In all the other sky patches, where synchrotron or dust B-modes are not detectable with the required confidence, we put upper limits on the minimum foreground contamination and find values of r_FG between ~0.05 and ~1.5, in the frequency range 60-90 GHz. Our results indicate that, with the current sensitivity at low frequency, it is not possible to exclude the presence of synchrotron contamination to CMB cosmological B-modes at the level requested to measure a gravitational waves signal with r~0.01, at frequency <100 GHz, anywhere. Therefore, more accurate data are essential in order to better characterize the synchrotron polarized component, and eventually, remove its contamination to CMB signal through foreground cleaning.

研究の動機と目的

• CMB Bモード検出に関連する度単位の角スケールにおける偏光した銀河系foreground（シンクロトロンおよび熱的チリ）の強度を定量化すること。
• 特に100 GHz未塔の周波数帯で、これらのforegroundが宇宙論的Bモード信号に与える汚染レベルを評価すること。
• 今後のCMB実験でr ≈ 0.01の検出を標的にするにあたり、最小foreground汚染が実現可能な天の川領域を特定すること。
• 全天空にわたる周波数依存の最小foreground振幅（r_{FG,min}）の推定値を提供し、観測戦略の指針とすること。

提案手法

• 偏光したシンクロトロンおよび熱的チリ放射のパワースペクトルを、|b| > 20°の352個の円形の天の川領域で計算した。各領域は全天空の約1.5%をカバーする。
• プランクおよびWMAPデータからのスペクトル的性質を用いて、ℓ ≈ 80に中心を持つ多重子帯域へのBモードパワースペクトルの振幅を外挿した。
• 各天の川領域について、シンクロトロンとチリの両方のBモードパワーが最小となる周波数を特定し、最小foreground振幅（r_{FG,min}）を推定した。
• 各領域における検出または上限の統計的有意性を3σ信頼水準で評価した。
• BICEP2/Keck、PolarBear、CLASS、LSPEなどの既知のCMB実験領域と照合することで、結果の妥当性を検証した。
• シンクロトロンおよびチリ両方のBモードが3σで検出されなかった領域について、r_{FG,min}の上限を導出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 全天空にわたり、度単位の角スケールにおける偏光したシンクロトロンおよび熱的チリ放射の強度はどの程度で、周波数依存性はどのように変化するか？
• RQ2 r ≈ 0.01の検出を標的にするにあたり、最小foreground汚染（r_{FG,min}）を0.01未塔に抑えることができる天の川領域はどこか？
• RQ3 現在の低周波数データでは、100 GHz未塔の周波数帯でCMB Bモード測定へのシンクロトロン汚染を排除できるか？
• RQ4 低foreground汚染領域において、シンクロトロン寄与がr_s < 0.005未塔に低下するのはどの周波数帯か？

主な発見

• 28の天の川領域で、シンクロトロンおよび熱的チリのBモード信号が3σ信頼水準で検出された。r_{FG,min}は60–100 GHzの周波数帯で約0.06から約1.0の範囲にあった。
• 残りの324の天の川領域では、60–90 GHz帯でr_{FG,min}の上限が約0.05から約1.5の範囲にあり、依然として汚染リスクが存在することが示された。
• 南天の銀河平面領域には、r_{FG,min}の上限が低い大規模な領域が存在し、CMB Bモード観測において最もクリーンな領域であることが確認された。
• 100 GHz未塔ではシンクロトロン汚染が依然として懸念事項であり、現在の低周波数感度では、どこでも排除できない。たとえr ≈ 0.01であっても同様である。
• 160 GHz以上の周波数帯では、すべての領域でシンクロトロン寄与が無視できるほど小さくなる（r_s < 0.005）が、この周波数帯では微弱な重力波信号の検出には不十分である。
• 本結果は、高度なクリーニング技術を用いてシンクロトロンforegroundを特徴づけ・除去するにあたり、より正確な低周波数データの必要性が極めて重要であることを強調している。