[論文レビュー] Microwave Spectro-Polarimetry of Matter and Radiation across Space and Time

Jacques Delabrouille, Maximilian H. Abitbol+78 more|arXiv (Cornell University)|Sep 4, 2019

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 195被引用数 37

ひとこと要約

高感度の多機器宇宙ミッションを提案し、SZ効果、レンズ効果、 高赤方偏移放射、一次CMB、スペクトル歪みを用いて、角分から全空スケールに至る宇宙史全体を対象とする、物質と放射の全空スペクトル-偏光調査を実施する。

ABSTRACT

This paper discusses the science case for a sensitive spectro-polarimetric survey of the microwave sky. Such a survey would provide a tomographic and dynamic census of the three-dimensional distribution of hot gas, velocity flows, early metals, dust, and mass distribution in the entire Hubble volume, exploit CMB temperature and polarisation anisotropies down to fundamental limits, and track energy injection and absorption into the radiation background across cosmic times by measuring spectral distortions of the CMB blackbody emission. In addition to its exceptional capability for cosmology and fundamental physics, such a survey would provide an unprecedented view of microwave emissions at sub-arcminute to few-arcminute angular resolution in hundreds of frequency channels, a data set that would be of immense legacy value for many branches of astrophysics. We propose that this survey be carried-out with a large space mission featuring a broad-band polarised imager and a moderate resolution spectro-imager at the focus of a 3.5m aperture telescope actively cooled to about 8K, complemented with absolutely-calibrated Fourier Transform Spectrometer modules observing at degree-scale angular resolution in the 10-2000 GHz frequency range. We propose two observing modes: a survey mode to map the entire sky as well as a few selected wide fields, and an observatory mode for deeper observations of regions of specific interest.

研究の動機と目的

• 再結合面から現在までの宇宙全体の物質と放射の包括的な調査を、マイクロ波のスペクトル・偏光測定を用いて動機づける。
• 宇宙 web を空間と時間の3Dにわたって写すための観測可能量（SZ効果、CMB重力レンズ、高赤方偏移線放射、一次CMB、スペクトル歪み）を定義する。
• 角分から度スケールの測定を10–2000 GHzで達成するためのミッション概念、搭載機器、技術ロードマップを概説する。
• 宇宙論、天体物理学、基礎物理学全般にわたる科学的影響と遺産価値を強調する。

提案手法

• 10–2000 GHzをさまざまなスペクトル・角分解能で観測する3つの機器を備えた宇宙ベースのサーベイを提案する。
• 広帯域偏光イメージャと中解像度フィルタバンク分光器を実現するため、300 GHzで角分解能をアーク分程度まで高める3 m級の大口径冷却望遠鏡を使用する。
• 2.5–60 GHzのスペクトル分解能をカバーする高感度の絶対分光器フーリエ変換分光機（FTS）を全帯で組み込む。
• 調査モードと観測所モードでL2軌道観測を6年間実施できるようにし、追加の科学のためのゲスト焦点面を含める。
• CORE、PICO、SPICA、PIXIE、PRISTINEなどの既存ミッションの概念を活用して、機器の歴史性と技術準備度を示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高感度で多周波のマイクロ波観測は、宇宙史を通じた重元素物質と暗黒物質構造の完全な調査をどのように可能にできるか？
• RQ2 tSZ、kSZ、rSZ、ntSZ、およびCIB信号を分離し、ガス・速度場・重力レンズを写すために必要な能力（感度、角分解能、スペクトル分解能、周波数チャンネル）は何か？
• RQ3 CMBレンズング、SZトモグラフィー、スペクトル歪みがΛCDMの拡張と基礎物理学を制約する現実的な可能性はどの程度か？
• RQ4 一次CMBの精密測定、SZ診断、スペクトル歪み測定を10–2000 GHzから最適に提供するミッション設計（機器、サーベイス戦略、期間）は何か？
• RQ5 提案された観測が、インフレーション、暗黒物質/エネルギーの性質、再 ionizationの歴史といった未解決の宇宙論的問題にどのように答えられるか？

主な発見

• 全空のアーク分解能SZとレンズ censusは、5×10^13 Msunを超えるすべてのクラスターを検出でき、yパラメータ感度δY500 ≈ 9×10^-7、目標はδY500 ≈ 5×10^-8である。
• 関連スケールでクラスター信号を回復しkSZを効果的に測定するには、約1.5′の角分解能（目標は1′）が必要。
• SZ、CIB、前景を分離するには、50–800 GHzの約20チャンネルの広域多周波サーベイが必要で、主要なチャンネルは150、220、350 GHz。
• CMBレンズング再構成は高感度偏光測定の恩恵を受け、4′分解能で0.1–0.3 μK·arcmin程度、2–4′分解能のTTマップでは約3 μK·arcminで飽和する。
• 10–2000 GHzの絶対スペクトroscopyをFTSで行うと、COBE-FIRASの4–5オーダー以上の感度を達成でき、精密なスペクトル歪み研究と再結合放射の探査が可能。
• このミッションは、現在の能力を超える宇宙論・構造形成・基礎物理学を制約する、変革的なレガシー調査を実現する。