[論文レビュー] PRISM (Polarized Radiation Imaging and Spectroscopy Mission): A White Paper on the Ultimate Polarimetric Spectro-Imaging of the Microwave and Far-Infrared Sky

PRISM Collaboration, Philippe André+102 more|arXiv (Cornell University)|Jun 10, 2013

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 12被引用数 83

ひとこと要約

PRISMは、マイクロ波から準赤外域の波長で、完全な偏光および絶対スペクトロスコピック能力を備えた、大規模クラスの宇宙ミッションとして提案されている。高分解能偏光イメージャーと低分解能スペクトロメーターを組み合わせることで、100万個以上の銀河団の検出、宇宙赤外背景の画期的な感度でのマッピング、インフレーション由来の原始的重力波の検出が可能となり、宇宙論および天体物理学における画期的な進展が期待される。

ABSTRACT

PRISM (Polarized Radiation Imaging and Spectroscopy Mission) was proposed to ESA in response to the Call for White Papers for the definition of the L2 and L3 Missions in the ESA Science Programme. PRISM would have two instruments: (1) an imager with a 3.5m mirror (cooled to 4K for high performance in the far-infrared---that is, in the Wien part of the CMB blackbody spectrum), and (2) an Fourier Transform Spectrometer (FTS) somewhat like the COBE FIRAS instrument but over three orders of magnitude more sensitive. Highlights of the new science (beyond the obvious target of B-modes from gravity waves generated during inflation) made possible by these two instruments working in tandem include: (1) the ultimate galaxy cluster survey gathering 10e6 clusters extending to large redshift and measuring their peculiar velocities and temperatures (through the kSZ effect and relativistic corrections to the classic y-distortion spectrum, respectively) (2) a detailed investigation into the nature of the cosmic infrared background (CIB) consisting of at present unresolved dusty high-z galaxies, where most of the star formation in the universe took place, (3) searching for distortions from the perfect CMB blackbody spectrum, which will probe a large number of otherwise inaccessible effects (e.g., energy release through decaying dark matter, the primordial power spectrum on very small scales where measurements today are impossible due to erasure from Silk damping and contamination from non-linear cascading of power from larger length scales). These are but a few of the highlights of the new science that will be made possible with PRISM.

研究の動機と目的

• マイクロ波から準赤外域のスペクトルにわたり、完全な偏光および絶対スペクトル分解能を備えた、最も感度の高い全天調査を実施すること。
• 赤方偏移 z > 2 までの銀河団を検出し、正確に特徴づけることにより、大規模構造の速度場のマッピングとダークエネルギーおよび構造形成の探査を可能にすること。
• 赤方偏移 z > 6 までの星形成銀河およびレンズ効果を受ける銀河を数万個検出し、宇宙赤外背景（CIB）を解明することで、星形成の歴史と星間物質の物理を明らかにすること。
• インフレーション由来の重力波による原始的Bモード偏光を高感度で検出することで、初期宇宙の基本的モデルを検証すること。
• ALMA、SKA、CCATなどの将来的な地上および宇宙望遠鏡ミッションのための、包括的で全天にわたる基準を提供するため、主要周波数帯域で混在限界に達する深さのマップを提供すること。

提案手法

• マイクロ波から準赤外域のバンドで高解像度偏光イメージングを実施するため、約4 Kに冷却された3.5 mの望遠鏡を用いる。
• 太陽系にほぼ完全に近い黒体基準と比較することで、周波数スペクトルを測定する低分解能スペクトロメーターを導入し、絶対スペクトロスコピーを可能にする。
• 宇宙背景放射（CMB）におけるスペクトル歪みを用いて、サニャエフ＝ゼルドビッチ（SZ）効果により銀河団を検出する。高感度および高解像度により、z = 2を越える領域まで銀河団調査を拡張可能。
• 運動的SZ効果の測定を応用し、銀河団の特異速度を推定することで、ハッブル体積内の大規模速度場を完全に3次元マッピング可能。
• 高解像度準赤外イメージングを用いて、ほこりを多く含み星形成が活発な銀河、特に高赤方偏移の強力なレンズ効果を受けるおよび極端な星形成爆発銀河を検出し、特徴づける。
• eROSITA や Euclid などの既存の調査とデータを統合することで、X線とSZに基づく銀河団宇宙論の校正、質量推定の向上、より弱い構造のスタックX線解析を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強度、偏光、絶対スペクトルで全天を調査する宇宙ミッションとして、質量 > 10^14 M☉ のすべての銀河団に加え、5×10^13 M☉ 以上の大部分を、z > 2 まで検出可能か？
• RQ2 PRISMの高解像度偏光測定および絶対スペクトロスコピーは、インフレーション由来の重力波による原始的Bモード偏光の検出をどの程度可能にするか？
• RQ3 PRISMは、赤方偏移 z > 6 まで、宇宙赤外背景（CIB）をどの程度正確にマッピングし、星形成銀河の全放射出力関数および集積関数を解明できるか？
• RQ4 PRISMのスペクトルおよび空間分解能は、SZ効果に対する相対論的補正を検出可能か。これにより、銀河団内ガス温度の直接測定が可能になるか？
• RQ5 PRISMが複数周波数帯で混在限界感度に達する全天マップを提供することで、ALMA や将来的な SKA や CCAT といった地上干渉計とどの程度相乗効果を発揮できるか？

主な発見

• PRISMは、約100万個の銀河団を検出する。これは、10^14 M☉ 以上のすべての銀河団に加え、5×10^13 M☉ 以上の大部分を含み、z = 2 を超える赤方偏移まで拡張される。
• 運動的サニャエフ＝ゼルドビッチ効果を用いて、数十万個の銀河団の特異速度を測定し、ハッブル体積内の大規模速度場を完全に3次元マッピング可能となる。
• PRISMは、赤方偏移 z > 6 までに、数万個の強くレンズ効果を受ける明るい星形成銀河および数百個の極端な星形成爆発銀河を検出する。これにより、高赤方偏移における星形成および星間物質の物理に関する画期的な知見が得られる。
• 複数周波数帯で混在限界感度に達する。全天マップの感度は、ハーシェル宇宙望遠鏡と同等またはそれ以上であり、天の川全域をカバー可能。
• PRISMは、未だ十分に調査されていないサブミリメートル〜ミリメートル帯周波数領域で、数千個の電波源のスペクトルエネルギー分布（SED）を測定し、重要な観測的ギャップを埋める。
• eROSITA および Euclid の調査と統合することで、X線とSZに基づく銀河団宇宙論の校正が可能となり、銀河団質量および温度推定値の向上、より弱い構造のスタックX線解析が実現される。