[論文レビュー] Polarization of the Microwave Background: theoretical framework

A. Melchiorri, N. Vittorio|arXiv (Cornell University)|Oct 4, 1996

Radio Astronomy Observations and Technology参考文献 57被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、構造形成のためのコールド・ダーク・マター（CDM）モデルにおける宇宙マイクロ波背景（CMB）偏光の理論的枠組みを構築し、1°未満のスケールで偏光レベルが非等方性の約10％に達することを示している。大スケールでの偏光は、初期再電離の主要な特徴として特定され、構造形成の時代および宇宙の再電離歴史を強力に探査する手段を提供する。

ABSTRACT

We present a brief review of the polarization properties of the cosmic microwave background in dark matter models for structure formation. Quite independently of the model parameters, the polarization level is expected to be $\sim 10%$ of the anisotropy signal at angular scales $\le 1^o$. Detections of polarization at larger angular scales would provide a strong evidence in favour of an early reionization of the intergalactic medium.

研究の動機と目的

• 構造形成のためのコールド・ダーク・マター（CDM）モデルにおけるCMB偏光の理論的基盤を確立すること。
• CMB偏光の期待される振幅とスケール依存性を定量化すること。
• 偏光信号が再電離の時代を制約する方法を検討すること。
• 初期宇宙物理学を探査する手段として、偏光の検出可能性を評価すること。

提案手法

• コールド・ダーク・マター宇宙論の文脈で線形摂動理論を用い、CMB非等方性および偏光をモデル化する。
• 光子輸送のボルツマン方程式を用い、自由電子とのチムソン散乱を含む。
• 速度勾配および温度非均一性が存在する状況での電子散乱の効果を組み込み、偏光を生成する。
• 標準的な宇宙論的摂動理論を用いて、温度および偏光非等方性の連立方程式系を解く。
• さまざまなスケールにおけるCMB偏光（ストークスパラメータQおよびU）のパワー スペクトルを計算する。
• 特に初期電離が大スケール信号に与える影響を含め、再電離歴史に依存する偏光の依存性を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準的なコールド・ダーク・マター（CDM）モデルにおけるCMB偏光の期待される振幅は何か？
• RQ2 偏光パワー スペクトルはスケールにどのように依存するか、特に≤1°のスケールでどうなるか？
• RQ3 大スケールCMB偏光は、初期再電離の直接的な探査手段として機能できるか？
• RQ4 偏光レベルと再電離光学的厚さの間にはどのような関係があるか？
• RQ5 再電離赤方偏移などのモデルパラメータの変動に対して、偏光信号はどの程度頑健か？

主な発見

• すべての検討されたダークマター・モデルにおいて、1°未満のスケールでCMB偏光は温度非等方性の振幅の約10％に達することが予想される。
• 大スケールでの偏光（1°以上のスケール）は、初期再電離によって強く増幅され、この時代の特徴的なサインとして顕著になる。
• 大スケールでの偏光の検出は、初期再電離に起因する非無視可能な光学的厚さの強力な証拠を示す。
• 偏光信号は主に再結合および再電離の時代におけるチムソン散乱によって生じ、その主な寄与は最後の散乱表面に由来する。
• 偏光パワー スペクトルは光学的厚さおよび再電離赤方偏移に敏感であり、温度非等方性とは独立してこれらの宇宙論的パラメータを制約する手段を提供する。
• 理論的枠組みは、最後の散乱表面の幾何学的性質および自由電子の存在と関連した、大スケールでの特徴的な四重極的パターンを予測する。