[論文レビュー] CMBPol Mission Concept Study: Foreground Science Knowledge and Prospects

A. A. Fraisse, J. C. Brown+11 more|arXiv (Cornell University)|Nov 24, 2008

Radio Astronomy Observations and Technology参考文献 4被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、宇宙背景放射（CMB）における原始的Bモード信号を遮蔽する主に偏光したシンクロトロン放射およびダスト放射からなる銀河系前景放射を調査する。CMBPolミッションの提案される高解像度・多周波数観測を用いて、これらの前景放射がどのようにモデル化され、低減可能であるかを示し、磁化された星間媒体、ダスト粒子の整列メカニズム、および異常放射に関する制約が向上し、原始的重力波の検出が促進されることを示している。

ABSTRACT

We report on our knowledge of Galactic foregrounds, as well as on how a CMB satellite mission aiming at detecting a primordial B-mode signal (CMBPol) will contribute to improving it. We review the observational and analysis techniques used to constrain the structure of the Galactic magnetic field, whose presence is responsible for the polarization of Galactic emissions. Although our current understanding of the magnetized interstellar medium is somewhat limited, dramatic improvements in our knowledge of its properties are expected by the time CMBPol flies. Thanks to high resolution and high sensitivity instruments observing the whole sky at frequencies between 30 GHz and 850 GHz, CMBPol will not only improve this picture by observing the synchrotron emission from our galaxy, but also help constrain dust models. Polarized emission from interstellar dust indeed dominates over any other signal in CMBPol's highest frequency channels. Observations at these wavelengths, combined with ground-based studies of starlight polarization, will therefore enable us to improve our understanding of dust properties and of the mechanism(s) responsible for the alignment of dust grains with the Galactic magnetic field. CMBPol will also shed new light on observations that are presently not well understood. Morphological studies of anomalous dust and synchrotron emissions will indeed constrain their natures and properties, while searching for fluctuations in the emission from heliospheric dust will test our understanding of the circumheliospheric interstellar medium. Finally, acquiring more information on the properties of extra-Galactic sources will be necessary in order to maximize the cosmological constraints extracted from CMBPol's observations of CMB lensing. (abridged)

研究の動機と目的

• CMBにおける原始的Bモード信号を汚染する偏光した銀河系前景放射（シンクロトロン放射およびダスト放射）を理解し、モデル化すること。
• 多周波数CMBPol観測を用いて、磁化された星間媒体（ISM）の構造とダイナミクスに関する制約を強化すること。
• CMBPolの拡散的偏光ダストデータと星光偏光測定値を組み合わせることで、ダスト粒子の整列に関する放射力トルク理論を検証すること。
• CMBPolの高解像度能力を活用して、異常マイクロ波放射（例：回転ダストおよびWMAPの「ハージ」）の形態的およびスペクトル的性質を追跡すること。
• CMB周波数帯における銀河系外源の偏光源集計とスペクトル的性質を特徴づけることで、CMBレンズ効果測定における系制度を低減すること。

提案手法

• CMBPolが30 GHzから850 GHzの周波数帯で実施する高感度・全天ラジオサーベイを活用し、偏光したシンクロトロン放射およびダスト放射をマッピングすること。
• 地上ベースの星光偏光サーベイとCMBPolデータを統合し、銀河系磁場に沿ったダスト粒子の整列を制約すること。
• 回転測定法合成およびファラデー回転技術を適用して、銀河系磁場の大規模および小規模構造をマッピングすること。
• 遠赤外ダスト放射のスペクトルエネルギー分布モデリングを用いて、CMB予測に不可欠なダスト透過率および偏光率の予測値を精緻化すること。
• CMBPolの角分解能を活用して、形態的解析を実施し、回転ダストとシンクロトロン成分を区別すること。
• 近い将来の地上実験（例：C-BASS）および宇宙ミッション（例：ASP）からのデータを統合し、前景モデルの妥当性を検証するとともに、スペクトル同定を向上させること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CMBPol観測は、銀河系磁場の大規模および小規模構造に関する制約をどの程度向上できるか？
• RQ2 偏光ダスト放射と星光偏光が併用された場合、ダスト粒子の整列に関する放射力トルク理論の検証にどの程度寄与できるか？
• RQ3 CMBPolが観測する異常マイクロ波放射（例：回転ダストおよびWMAPの「ハージ」）の形態的およびスペクトル的挙動はいかなるものか？
• RQ4 太陽活動周期と関連するヘリオスフィア的ダスト放射の揺動は、CMBPolで検出可能か？また、それらの変動は周囲ヘリオスフィア的星間媒体に関する新たな知見をもたらすか？
• RQ5 CMB周波数帯における銀河系外源の偏光源集計とスペクトル的性質は何か？また、それらはCMBレンズ効果測定にどのように影響を及ぼすか？

主な発見

• CMBPolの高解像度・多周波数観測により、シンクロトロン放射およびファラデー回転データを統合することで、銀河系磁場構造、特にディスクおよびハロー領域における制約が顕著に向上する。
• CMBPolは、複数の天域で高SN比で拡散的偏光ダスト放射を測定することで、ダスト粒子の整列に関する放射力トルク理論の直接的検証を可能にする。
• CMBPolが300 GHz以上の周波数帯で高い感度を示すことで、偏光ダスト放射の正確なマッピングが可能となり、CMB Bモード予測に不可欠なダストモデルパラメータの不確実性が低減される。
• 太陽活動周期に関連するヘリオスフィア的ダスト放射の揺動は、CMBPolで検出可能であると予想され、周囲ヘリオスフィア的星間媒体に関する新たな知見が得られる可能性がある。
• CMBPolの角分解能を活用した異常放射の形態的トレースにより、回転ダストとシンクロトロン成分の区別が可能となり、スペクトル同定が支援される。
• CMBPolデータからの銀河系外源偏光の改善されたモデリングにより、CMBレンズ効果再構成における系制度が低減され、宇宙論的パラメータの制約が強化される。