[論文レビュー] PASIPHAE: A high-Galactic-latitude, high-accuracy optopolarimetric survey

Konstantinos Tassis, A. N. Ramaprakash+14 more|arXiv (Cornell University)|Oct 12, 2018

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 2被引用数 29

ひとこと要約

PASIPHAEは、南アフリカおよびギリシャの観測所に新規のWALOP偏光計を設置し、350万顆以上の恒星を1万平方度にわたり高緯度銀河系領域で線形偏光を測定する、高精度で広域にわたる光学的偏光調査を提案する。ガリレオ距離データと組み合わせることで、銀河系磁場の初のトモグラフィック地図を提供し、CMB Bモードの前景除去を向上させるとともに、星間磁場、宇宙線、ダスト物理学に関する研究を前進させる。

ABSTRACT

PASIPHAE (the Polar-Areas Stellar Imaging in Polarization High-Accuracy Experiment) is an optopolarimetric survey aiming to measure the linear polarization from millions of stars, and use these to create a three-dimensional tomographic map of the magnetic field threading dust clouds within the Milky Way. This map will provide invaluable information for future CMB B-mode experiments searching for inflationary gravitational waves, providing unique information regarding line-of-sight integration effects. Optical polarization observations of a large number of stars at known distances, tracing the same dust that emits polarized microwaves, can map the magnetic field between them. The Gaia mission is measuring distances to a billion stars, providing an opportunity to produce a tomographic map of Galactic magnetic field directions, using optical polarization of starlight. Such a map will not only boost CMB polarization foreground removal, but it will also have a profound impact in a wide range of astrophysical research, including interstellar medium physics, high-energy astrophysics, and evolution of the Galaxy. Taking advantage of the novel technology implemented in our high-accuracy Wide-Area Linear Optical Polarimeters (WALOPs) currently under construction at IUCAA, India, we will engage in a large-scale optopolarimetric program that can meet this challenge: a survey of both northern and southern Galactic polar regions targeted by CMB experiments, covering over 10,000 square degrees, which will measure linear optical polarization of over 360 stars per square degree (over 3.5 million stars, a 1000-fold increase over the state of the art). The survey will be conducted concurrently from the South African Astronomical Observatory in Sutherland, South Africa in the southern hemisphere, and the Skinakas Observatory in Crete, Greece, in the north.

研究の動機と目的

• CMB Bモード実験における主要な前景汚染要因である銀河系ダストの偏光問題を解決するため、高精度な3次元磁場マッピングを提供する。
• 現在の偏光データが非常に疎（約3平方度あたり1顆の恒星）であるという限界を克服し、1平方度あたり360顆を超える1000倍の増加を実現する。
• 視線方向に沿った磁場方向のトモグラフィックマップを提供することで、CMBの前景における周波数非相関効果の正確なモデリングを可能にする。
• 再構築された3次元磁場構造を用いて、超高エネルギー宇宙線の軌道を逆算可能にし、高エネルギー天体物理学を支援する。
• 偏光、減光法則、遠赤外領域の透過率の変動に関するデータを提供することで、星間ダストの物理的モデルを発展させる。

提案手法

• ギリシャのスキナカス観測所および南アフリカの南アフリカ天文台（サザーランド）に、高精度な広域線形光学偏光計（WALOP）を設置し、北半球および南半球の同時観測を実施する。
• CMB実験に関連する領域を対象とし、高緯度で1万平方度を超える領域をカバーする調査を実施する。
• 350万顆を超える恒星の線形偏光（偏光度 $p$ および電気ベクトル位置角 $ ext{EVPA}$）を測定し、$p \rightarrow 0.5\%$ の条件下で個々の恒星に対して $p$ の精度が0.2%に達する。
• ガリレオミッションによる正確な恒星距離データと光学的偏光測定データを統合し、銀河系磁場方向の3次元トモグラフィックマップを構築する。
• トモグラフィックマップをダスト放射データと統合し、周波数非相関効果のモデリングを実施し、COMMANDERなどのCMB前景除去ソフトウェアの改善を図る。
• 得られたカタログおよび磁場マップを用いて、星間乱流、銀河系フォンテーヌンモデル、および磁場がダスト粒子の性質とどのように整列するかのモデルを検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高精度で広域にわたる恒星偏光測定は、CMB Bモード実験における偏光ダスト放射の周波数非相関効果のモデリングをどの程度改善できるか？
• RQ2 視線方向に沿って磁場成分がずれている領域において、銀河系磁場の3次元トモグラフィックマップが、CMB前景差し引きの不確実性をどの程度低減できるか？
• RQ3 恒星偏光から推定される磁場構造は、MHD不安定性理論や銀河系フォンテーヌンモデルの予測とどの程度一致するか？
• RQ4 再構築された3次元磁場マップは、超高エネルギー宇宙線の起源天体への逆算追跡をどの程度向上できるか？
• RQ5 偏光データは、減光法則の空間的変動、ピーク放射波長、および単位減光量あたりの遠赤外透過率の変動に関するどのような知見を提供するか？

主な発見

• 偏光測定恒星の密度が、3平方度あたり約1顆から1平方度あたり360顆を超える1000倍に増加する。
• PASIPHAEは、$p \rightarrow 0.5\%$ の条件下で個々の恒星に対して偏光度の精度が0.2%に達する偏光測定を提供し、信頼性の高い統計的分析を可能にする。
• 光学的偏光測定とガリレオの恒星距離データを統合することで、銀河系磁場の初のトモグラフィックマップが作成され、視線方向に沿った磁場構造が解明される。
• 磁場がずれている領域を特定する天の川マスクが作成され、CMB Bモード解析において汚染を回避する直接的な応用が可能になる。
• データは、冷たいダストの偏光スペクトル、特に周波数非相関効果のモデリングを改善するものであり、COMMANDER CMB前景除去ソフトウェアに統合される。
• 調査カタログは、100個の未確認のフェルミガンマ線源の光学的対応体探索を支援し、周囲円盤を持つ恒星のような内在的に偏光を持つ恒星の研究を可能にする。