[論文レビュー] The impact of Galactic synchrotron emission on CMB anisotropy measurements. I. Angular power spectrum analysis of total intensity all-sky surveys

L. La Porta, C. Burigana+2 more|ArXiv.org|Jan 3, 2008

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 44被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、408 MHzおよび1420 MHzの全天全天強度マップを用いて、銀河系シンクロトロン放射の方位パワーースペクトル（APS）を分析し、明るい源を差し引いて拡散放射を分離した。パワーローのフィットによりスペクトル指数α ∈ [−3.0, −2.6]が得られ、スペクトル指数β_(0.408–1.4 GHz) ∈ [−3.2, −2.9]が導出された。また、電波シンクロトロンAPSをマイクロ波周波数に外挿することで、約50%の低減が生じ、自由自由または回転するダスト放射による寄与が顕著であることが示唆された。|b_gal| < 5°を除くスカイメイクにより、70 GHzにおける宇宙背景放射（CMB）信号レベルの約50%にまで前処理された前景フラクチュエーションが抑制された。

ABSTRACT

Galactic foreground emission is a limiting factor for precise cosmic microwave background (CMB) anisotropy measurements. We perform an angular power spectrum analysis (APS) of all-sky total intensity maps at 408 MHz and 1420 MHz, which are dominated by synchrotron emission out of the Galactic plane. We subtract the brighter sources from the maps. We study the APS as a function of Galactic latitude by considering various cuts and as a function of sky position by dividing the sky into patches of about 15 deg x 15 deg in size. The APS of the Galactic radio diffuse synchrotron emission is best fitted by a power law, $C_{\ell} \sim k \ell^α$, with $α\in [-3.0,-2.6]$, where the lower values of $α$ typically correspond to the higher latitudes. Nevertheless, the analysis of the patches reveals that strong local variations exist. The mean APS for $\ell \in [20,40]$ is used to determine the mean spectral index between 408 MHz and 1420 MHz, which is then adopted to extrapolate the synchrotron APS results to the microwave range. A simple extrapolation to 23 GHz of the synchrotron emission APS found at 408 and 1420 MHz does not explain all the power in the WMAP synchrotron component even at middle/high Galactic latitudes. This suggests a significant microwave contribution (of about 50% of the signal) by other components such as free-free or spinning dust emission. The comparison between the extrapolated synchrotron APS and the CMB APS shows that a mask excluding the regions with $|b_{gal}| \lesssim 5^{\circ}$ would reduce the foreground fluctuations to about half of the cosmological ones at 70 GHz even at the lowest multipoles. We discuss the main implications of our analysis for the cosmological exploitation of microwave temperature anisotropy maps.

研究の動機と目的

• 全天強度マップにおける方位パワーースペクトル（APS）の分析を通じて、CMB非一様性測定における銀河系シンクロトロン放射の影響をより正確に推定すること。
• 408 MHzおよび1420 MHzの高解像度全天マップを用いて、天の川のシンクロトロン放射の空間的および周波数依存的挙動を特徴づけること。
• 408 MHzから1420 MHzの間のスペクトル指数を特定し、マイクロ波周波数への外挿を正確に行うこと。
• CMBマップにおける残存する前景汚染を評価し、スカイメイクのシンクロトロンフラクチュエーション低減効果を検証すること。
• 近い将来のプランクミッションのデータにおける前景分離および宇宙論的パrameter推定のための信頼性の高い基盤を提供すること。

提案手法

• 408 MHzおよび1420 MHzの全天強度マップに対して、主に拡散銀河系シンクロトロン放射に支配される方位パワーースペクトル（APS）分析を実施した。
• APS推定におけるバイアスを避けるために、マップから明るい点源を差し引いた。
• さまざまなスカイメイクを用いて、銀経度に依存するAPSの分析と、約15°×15°のパッチに分割して位置に依存するAPSの分析を実施した。
• パワーロー・モデルC_ℓ ∝ kℓ^α（αはスペクトル指数）を用いてAPSにフィットし、異なる天の川領域におけるkおよびαを決定した。
• C_ℓ(ν) ∝ ν^(-2β)の関係を用いて、408 MHzから1420 MHzの間の周波数スペクトル指数βを計算し、APSをマイクロ波周波数に外挿した。
• 外挿されたシンクロトロンAPSをWMAPデータと比較し、|b_gal| < 5°などのスカイメイクの効果が、宇宙背景放射（CMB）信号レベルに比してどの程度の前景汚染低減に寄与するかを評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 408 MHzおよび1420 MHzにおける、全天にわたる銀河系シンクロトロン放射の方位パワーースペクトルはどのように分布しているか？
• RQ2 シンクロトロンAPSのスペクトル指数αは、銀経度および天の位置に応じてどのように変化するか？
• RQ3 408 MHzから1420 MHzの間の周波数スペクトル指数βは何か？また、マイクロ波周波数への外挿に際して、どの程度の精度で決定できるか？
• RQ4 電波からマイクロ波周波数へのシンクロトロンAPSの外挿は、WMAPデータで観測されたマイクロ波前景をどの程度説明できるか？
• RQ5 銀河平面に近い領域を除くスカイメイク（例：|b_gal| < 5°）は、CMB非一様性パワーに比して、どの程度シンクロトロン汚染を低減するか？

主な発見

• 銀河系シンクロトロン放射の方位パワーースペクトルは、パワーローC_ℓ ∝ kℓ^α（α ∈ [−3.0, −2.6]）で最もよく記述され、高銀経度付近でより急な勾配（低いα）が観測された。
• 408 MHzと1420 MHzにおける正規化された振幅k_100 = k × 100^αの間に強い相関が観測され、両周波数間で一貫したスペクトル的挙動が示された。
• 408 MHzから1420 MHzの間のスペクトル指数はβ_(0.408–1.4 GHz) ∈ [−3.2, −2.9]と決定され、数パーセントの不確実性で、マイクロ波周波数への外挿が信頼できることが裏付けられた。
• 電波からマイクロ波周波数（例：23 GHz）へのシンクロトロンAPSの外挿では、観測されたWMAPのシンクロトロン成分を完全に説明できず、自由自由または回転するダスト放射による寄与が顕著（約50%）であることが示唆された。
• |b_gal| < 5°を除くスカイメイクにより、70 GHzにおけるシンクロトロンフラクチュエーションは、CMB非一様性パワーの約半分にまで低減された。これは、低多重度（ℓ ≲ 40）においても同様に成立した。
• これらの結果は、現在の前景モデルがCMB非一様性マップからの宇宙論的情報の大部分を回復するのに十分であるものの、プランクミッション時代における原始非ガウス性や偏光パワーースペクトルの高精度テストには、より洗練された前景分離が不可欠であることを示唆している。