[論文レビュー] CMB ANISOTROPIES, COSMOLOGICAL PARAMETERS AND FUNDAMENTAL PHYSICS: CURRENT STATUS & PERSPECTIVES

F. R. Bouchet|arXiv (Cornell University)|Jan 8, 2004

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 18被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、宇宙背景放射（CMB）の非等方性が宇宙論的パラメータおよび基礎的物理学をどのように探査するかをレビューし、特にWMAPからの高精度CMB測定が、ダークエネルギーとコールドダークマターで支配される平坦でΛCDMの宇宙を制限することを強調している。バリオンはわずかに~5%に過ぎない。また、Planckが初期インフレーションパラメータ、特にテンソル対スカラー比（r）とスカラースペクトル指数（nS）の制限を著しく改善し、インフレーションモデル間の区別をより厳密に可能にする予測がされている。

ABSTRACT

I describe briefly the Cosmic Microwave Background (hereafter CMB) physics which explains why high accuracy observations of its spatial structure are a unique observational tool both for the determination of the global cosmological parameters and to constrain observationally the physics of the early universe. I also briefly survey the many experiments which have measured the anisotropies of the CMB and led to crucial advances in observational Cosmology. The somewhat frantic series of new results has recently culminated with the outcome of the WMAP satellite which confirmed earlier results, set new standards of accuracy, and suggested that the Universe may have reionised earlier than anticipated. Many more CMB experiments are currently taking data or being planned, with the Planck satellite on the 2007 Horizon poised to extract all the cosmological information in the temperature anisotropies, and foray deeply into polarisation.

研究の動機と目的

• CMB非等方性測定の現在の状況と、宇宙論的パラメータを制限する役割を要約すること。
• CMBデータ、特にWMAPからのデータが標準ΛCDMモデルを確認・精緻化する方法を評価すること。
• 近い将来のPlanck衛星データが、初期宇宙物理学、特にインフレーションモデルをどのように探査するかを予測すること。
• CMBパワー スペクトルがガウス性からのずれおよび初期ガウスでない性質にどれほど感度を持っているかを評価すること。
• CMB非等方性および偏光を高精度で測定するための観測的および機器的課題を概説すること。

提案手法

• 2点相関関数のフーリエ変換から得られる角パワー スペクトルを用いたCMB温度および偏光非等方性の分析。
• 初期密度揺らぎをモデル化するための初期スペクトル P(k) = A_S * k^(n_S) の使用、ここで n_S は1に近い。
• サックス＝ホルプ効果および光子・バリオン流体内の音響振動を用いたCMBピークの解釈。
• 観測されたCMBパワー スペクトルを、インフレーションモデルおよびΛCDM宇宙論からの理論的予測と比較。
• 多周波数、高感度の機器（PlanckのLFIおよびHFI）を用いた天の川のマッピングと前景放射の分離。
• HFIにおける電気的変調および全電力測定技術の採用により、広動態範囲および高感度を実現。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CMB非等方性は、宇宙の全エネルギー密度および空間曲率をどのように制限するか？
• RQ2 WMAP測定は、ダークマター、バリオン、ダークエネルギーを含む宇宙の構成をどのように明らかにするか？
• RQ3 CMBデータは、初期密度揺らぎの性質、特にガウス性および等位性をどのように示すか？
• RQ4 Planckは、インフレーションモデルのテンソル対スカラー比（r）およびスカラースペクトル指数（nS）の制限をどの程度改善できるか？
• RQ5 CMB偏光測定は、再電離および初期宇宙物理学をどのように探査するか？

主な発見

• CMB非等方性データは、全密度パラメータ Ω ≈ 1 で空間的に平坦な宇宙であることを確認しており、臨界密度と整合的である。
• WMAPの結果から、Ω_M = 0.29 ± 0.07（物質）、Ω_B ≈ 0.047 ± 0.006（バリオン）、Ω_Λ ≈ 0.71（ダークエネルギーまたは宇宙定数）が得られた。
• WMAP単体からの測定でスカラースペクトル指数 n_S は n_S = 0.99 ± 0.04 であり、ほぼスケール不変スペクトルであることが示された。
• 初期密度揺らぎは、すべての成分（CDM、バリオン、光子）においてガウス統計および等位初期条件と整合的である。
• Planckは感度 ∆r ≈ ∆n_S ≈ 0.02 を達成すると予想され、単一場のスローロールインフレーションモデルに対する制限をより厳密にする。
• WMAPの2σ制限とPlanckの予想される制限が(r, n_S)平面上で重複するため、Planckはインフレーションモデルの妥当なパラメータ空間を著しく狭めるだろう。