[論文レビュー] CMB Spectral Distortions: Status and Prospects

A. Kogut, Maximilian H. Abitbol+6 more|arXiv (Cornell University)|Jul 30, 2019

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 27被引用数 49

ひとこと要約

本論文は、PIXIE に触発された宇宙空間ベースのフーリエ変換分光計アプローチを用いてCMBスペクトル歪みを測定し、前景（フォアグラウンド）課題を分析し、yおよびμ歪みに対して非常に厳しい制約を達成する複数モジュールの任務概念を概説する。

ABSTRACT

Departures of the energy spectrum of the cosmic microwave background (CMB) from a perfect blackbody probe a fundamental property of the universe -- its thermal history. Current upper limits, dating back some 25 years, limit such spectral distortions to 50 parts per million and provide a foundation for the Hot Big Bang model of the early universe. Modern upgrades to the 1980's-era technology behind these limits enable three orders of magnitude or greater improvement in sensitivity. The standard cosmological model provides compelling targets at this sensitivity, spanning cosmic history from the decay of primordial density perturbations to the role of baryonic feedback in structure formation. Fully utilizing this sensitivity requires concurrent improvements in our understanding of competing astrophysical foregrounds. We outline a program using proven technologies capable of detecting the minimal predicted distortions even for worst-case foreground scenarios.

研究の動機と目的

• 初期宇宙と構造形成の検査としてCMBスペクトル歪みの研究を動機づける。
• 最小の歪みを検出するために必要な感度向上と前景の役割を評価する。
• 必要な感度を達成するために既存技術を用いた実用的な任務概念を提案する。
• 堅牢な歪み測定のための前景減算戦略と機器設計の選択を評価する。

提案手法

• 絶対的なCMBスペクトルのコア測定技術としてフーリエ変換分光法を記述する。
• 検出器ノイズと空平均強度の関係を導出し、NEPおよびPν方程式を含めて感度を予測する。
• 合成チャネルの構築、サンプリングおよびアポダイズ化を分析し前景減算を最適化する。
• エタンデ、光学負荷、チャネル幅が背景制限性能に与える影響を評価する。
• PIXIEに似たモジュラー任務概念を、前景からCMB歪みを分離する複数のFTSユニットとともに提案する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現実的な前景を考慮した場合、最小のCMBスペクトル歪みを検出するために必要な感度はどれくらいか。
• RQ2 前景は歪み測定をどのように制限し、それを緩和するためにどの事前情報やデータが必要か。
• RQ3 最悪の前景下で、モジュラ方式の既存技術を用いた宇宙任務がyおよびμ歪の統計的有意検出を達成できるか。

主な発見

• 現代の検出器とクライオジェニック技術でFIRAS様の限界より3桁の向上が達成可能。
• 天体前景がスペクトル歪みの制限要因であり、生の感度ではない。前景の制約なしでは感度はおよそ30倍低下する。
• 提案されたMFM/LFM/HFM概念の単一モジュールは4年で |y|<6.6×10^-9 および |μ|<5.2×10^-8 (95% CL) に達する。モジュールを追加すると |y|<3.3×10^-9 および |μ|<1.9×10^-8 (95% CL) となる。
• 前景を悲観的に見積もっても、完全な複数モジュールの任務は原始的な水素/ヘリウム再結合線を2σで検出し、前景が有利であればμ歪を高い有意度で検出できる。
• 前景があっても、PIXIE様の能力はy歪および相対論的補正を高い有意性で検出し、μ歪を介してΛCDMを超える物理を探る。）