[論文レビュー] PICO: Probe of Inflation and Cosmic Origins

Shaul Hanany, Marcelo A. Alvarez+80 more|arXiv (Cornell University)|Feb 26, 2019

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 45

ひとこと要約

PICO は、12,996 台の TES デテクタを用いた 5年間の全空・多周波数 CMB サーベイを実施する提案宇宙ミッションで、正確な偏光測定を通じて膨張、ニュートリノ、光レリック、ダークマター、銀河系科学を探る。

ABSTRACT

The Probe of Inflation and Cosmic Origins (PICO) is an imaging polarimeter that will scan the sky for 5 years in 21 frequency bands spread between 21 and 799 GHz. It will produce full-sky surveys of intensity and polarization with a final combined-map noise level of 0.87 $μ$K arcmin for the required specifications, equivalent to 3300 Planck missions, and with our current best-estimate would have a noise level of 0.61 $μ$K arcmin (6400 Planck missions). PICO will either determine the energy scale of inflation by detecting the tensor to scalar ratio at a level $r=5 imes 10^{-4}~(5σ)$, or will rule out with more than $5σ$ all inflation models for which the characteristic scale in the potential is the Planck scale. With LSST's data it could rule out all models of slow-roll inflation. PICO will detect the sum of neutrino masses at $>4σ$, constrain the effective number of light particle species with $ΔN_{ m eff}<0.06~(2σ)$, and elucidate processes affecting the evolution of cosmic structures by measuring the optical depth to reionization with errors limited by cosmic variance and by constraining the evolution of the amplitude of linear fluctuations $σ_{8}(z)$ with sub-percent accuracy. Cross-correlating PICO's map of the thermal Sunyaev-Zeldovich effect with LSST's gold sample of galaxies will precisely trace the evolution of thermal pressure with $z$. PICO's maps of the Milky Way will be used to determine the make up of galactic dust and the role of magnetic fields in star formation efficiency. With 21 full sky legacy maps in intensity and polarization, which cannot be obtained in any other way, the mission will enrich many areas of astrophysics. PICO is the only single-platform instrument with the combination of sensitivity, angular resolution, frequency bands, and control of systematic effects that can deliver this compelling, timely, and broad science.

研究の動機と目的

• primordial gravitational waves をテンソル-スカラー比 r で検出することを目指す（r = 5 × 10^-4（5σ））、検出されない場合はインフレーションモデルを制約する。
• Neff 測定を通じて光レリックを検証しつつ、ニュートリノ質量の総和を高精度に制約する（楽観的シナリオで最大7σ の可能性） 。
• 銀河前景と磁場を描き、インフレーション科学を可能にし銀河系天体物理学を進展させる。
• LSST や他の調査と協調して、レンズ成分・クラスター数を通じて宇宙構造形成の正確な測定を提供する。

提案手法

• 1.4 m 望遠鏡を搭載し、21〜799 GHz の 21 周波数帯で動作するイメージング偏光計を用いる。
• 0.1 K 冷却のファーカルプレーンに 12,996 個の TES ボロメータを配置し、時分割多路復調で読み出す。
• 5年間で10個の独立マップによる全空観測を行い、I, Q, U ストークスパラメータの再構成を方位に応じて可能にする。
• 多周波データを用いた前景成分の分離により、CMB と銀河性ダスト、シンクロトロン、及びそれらの相関を分離する。
• 高分解能偏光マップを用いた B-モードのデリening により r の制約を改善する。
• L2 の安定した宇宙ベースプラットフォームを用いた系統誤差と較正の評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 PICO は primordial B-mode 偏光を r = 5 × 10^-4（5σ）に対応して検出できるか、インフレーションモデルを区別できるか。
• RQ2 PICO は有効な光レリック種 Neff の数とニュートリノ質量の総和をどれだけ高精度で測定できるか。
• RQ3 PICO は重力レンズ効果とクラスター数をどの程度 map し、ΛCDM と銀河形成物理をどの程度制約できるか。
• RQ4 PICO の全空・多周波数マップは銀河性ダスト、磁場、星形成の理解をどう進展させるか。
• RQ5 前景分離と系統が PICO のインフレーション科学とニュートリノ科学に与える影響はどの程度か。

主な発見

• 前景分離とデリensing を組み合わせることで r = 5 × 10^-4（5σ）を達成することを目指す。
• 解析仮定下で σ(r) が 2 × 10^-5 まで低下する予測があり、地図ベースのシミュレーションは前景の影響に対する頑健性を確認している。
• PICO は ΔNeff < 0.06（2σ）に Neff を制約でき、高いデカップリング温度と新しい光粒子を探る。
• 再電離の光学的厚み τ を σ(τ) = 0.002 で測定し、初期構造形成の制約を改善。
• PICO の測定は Planck に対して ΛCDM のパラメータ制約を大幅に引き締め、インフレーション、ダークマター、ニュートリノ物理の検証を可能にする。
• 外部調査（例：LSST）とのクロス相関は非ガウシアン性検査と primordial 物理の探査を強化する。