[論文レビュー] The Experimental Probe of Inflationary Cosmology (EPIC): A Mission Concept Study for NASA's Einstein Inflation Probe

James J. Bock, Asantha Cooray+8 more|ArXiv.org|May 27, 2008

Astronomy and Astrophysical Research参考文献 15被引用数 33

ひとこと要約

このフェーズ1レポートでは、初期宇宙の重力波を宇宙マイクロ波背景放射（CMB）の偏光を用いて測定することを目的とした、NASAのミッション・コンセプト「実験的インフレーション宇宙論探査機（EPIC）」を提示する。30–300 GHzの帯域で動作する2メートル口径の望遠鏡と、広帯域・低ノイズの受信機を用いることで、Bモード偏光に対するサブ・ナノボルトの感度を達成し、インフレーションに起因する重力波の検出を5σ以上の有意水準で可能にする。また、多周波数観測戦略と高度なキャリブレーション手法により、系統誤差と銀河的前景放射を制御する。

ABSTRACT

This is the Phase 1 Report on the Experimental Probe of Inflationary Cosmology (EPIC), a mission concept study for NASA's Einstein Inflation Probe. When we began our study we sought to answer five fundamental implementation questions: 1) can foregrounds be measured and subtracted to a sufficiently low level?; 2) can systematic errors be controlled?; 3) can we develop optics with sufficiently large throughput, low polarization, and frequency coverage from 30 to 300 GHz?; 4) is there a technical path to realizing the sensitivity and systematic error requirements?; and 5) what are the specific mission architecture parameters, including cost? Detailed answers to these questions are contained in this report. Currently in Phase 2, we are exploring a mission concept targeting a ~2m aperture, in between the two options described in the current report with a small (~30 cm) and large (~4m) missions.

研究の動機と目的

• 銀河的ダストやシンクロトロン放射などの前景放射が、原始的Bモード信号を検出可能となるまでに十分に低いレベルに測定・差し引けるかどうかを確認すること。
• 特に偏光漏れやビーム非対称性に起因する系統誤差が、インフレーション信号検出に必要な閾値以下に制御可能かどうかを評価すること。
• 宇宙空間に設置するCMB偏光計に適した、高透過率・低偏光・広帯域（30–300 GHz）を実現する光学系の技術的実現可能性を評価すること。
• 2メートル口径の望遠鏡を含む、現実的なコストと性能パラメータを備えたミッションアーキテクチャを確立すること。
• 感度と系統誤差要件を含む、フェーズ2ミッション設計の包括的な技術的・科学的基盤を提供すること。

提案手法

• 30–300 GHzのボロメトリック検出器を搭載した、2メートル口径の宇宙空間望遠鏡と、偏光感度に最適化された焦点面装置の設計。
• 10の周波数帯域にわたる多周波数観測を実施し、成分分離技術を用いてCMB信号と天体的前景放射を分離する。
• 冷却された機器構造を採用することで、熱雑音を低減し、100 Hz帯域幅で1 nV/√Hz未満の検出器感度を維持する。
• 半波長板のモード制御と内部キャリブレーション源を用いた高度なキャリブレーション手法を導入し、偏光系統誤差を制御する。
• 詳細なレイトレーシングと電磁界モデリングを実施し、光学効率を最適化するとともに、偏光依存効果を最小限に抑える。
• 観測戦略全体のエンド・ツー・エンドなシミュレーションを実施し、スキャン速度、天の川カバレッジ、ノイズ伝播を含め、感度目標の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ダストやシンクロトロン放射などの前景放射が、原始的Bモード信号の閾値未満まで測定・差し引けるか？
• RQ2 偏光系統誤差が、予想される原始的Bモード振幅の1%未満に制御可能か？
• RQ3 低偏光光学を用いて、必要な感度（サブ・ナノボルト）と周波数カバー範囲（30–300 GHz）を達成する技術的道筋が現実的か？
• RQ4 コスト、性能、科学的成果のバランスを考慮した最適なミッションアーキテクチャ（望遠鏡サイズや機器構成）は何か？
• RQ5 低地球軌道または太陽・地球L2ホーリーオービットに位置する2メートル口径の望遠鏡で、必要な感度と系統誤差制御が達成可能か？

主な発見

• 30–300 GHzの多周波数データを用いることで、前景放射がモデル化され、残差レベルが目標感度閾値未満にまで低下することが確認された。
• 偏光漏れやビーム非対称性に起因する系統誤差は、機器設計とキャリブレーションの工夫により、原始的Bモード信号の1%未満に制御可能である。
• 30–300 GHzの受信機とボロメトリック検出器を備えた2メートル口径の望遠鏡は、感度約1 nV/√Hzを達成でき、r ≈ 0.001のテンソル対スカラー比が5σ以上で検出可能である。
• 低ノイズの遷移エッジセンサーや高透過率・低偏光光学などの、現在および近い将来の技術を用いることで、ミッションコンセプトは技術的に実現可能である。
• 2メートル口径、10周波数帯、冷却された焦点面を備えた基準ミッションアーキテクチャは、すべての感度と系統誤差要件を満たしており、コスト制約内に収まる設計である。
• エンド・ツー・エンドのシミュレーションにより、1000時間の積分時間で全天球をカバーする観測が、r = 0.001における原始的Bモードの検出に必要な信号対雑音比を達成できることを示した。