[論文レビュー] The Large-Scale Polarization Explorer (LSPE)

The LSPE collaboration, Simone Aiola+55 more|arXiv (Cornell University)|Aug 1, 2012

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 32被引用数 11

ひとこと要約

Large-Scale Polarization Explorer (LSPE) は、インフレーション期の原始的重力波に由来する B モード信号を含め、大スケールの宇宙マイクロ波背景放射 (CMB) の偏光を測定することを目的とした高緯度気球望遠鏡ミッションである。43/90 GHz でのコherent HEMT 偏光計と、95/145/245 GHz でのボロメトリック偏光計（回転する半波長板を装備）の二重装置を用い、99.7%信頼水準でテンソル対スカラー比 r を 0.03 まで制限するとともに、磁場およびダストの研究を目的とした銀河平面の偏光foregroundのマッピングを実施する。

ABSTRACT

The LSPE is a balloon-borne mission aimed at measuring the polarization of the Cosmic Microwave Background (CMB) at large angular scales, and in particular to constrain the curl component of CMB polarization (B-modes) produced by tensor perturbations generated during cosmic inflation, in the very early universe. Its primary target is to improve the limit on the ratio of tensor to scalar perturbations amplitudes down to r = 0.03, at 99.7% confidence. A second target is to produce wide maps of foreground polarization generated in our Galaxy by synchrotron emission and interstellar dust emission. These will be important to map Galactic magnetic fields and to study the properties of ionized gas and of diffuse interstellar dust in our Galaxy. The mission is optimized for large angular scales, with coarse angular resolution (around 1.5 degrees FWHM), and wide sky coverage (25% of the sky). The payload will fly in a circumpolar long duration balloon mission during the polar night. Using the Earth as a giant solar shield, the instrument will spin in azimuth, observing a large fraction of the northern sky. The payload will host two instruments. An array of coherent polarimeters using cryogenic HEMT amplifiers will survey the sky at 43 and 90 GHz. An array of bolometric polarimeters, using large throughput multi-mode bolometers and rotating Half Wave Plates (HWP), will survey the same sky region in three bands at 95, 145 and 245 GHz. The wide frequency coverage will allow optimal control of the polarized foregrounds, with comparable angular resolution at all frequencies.

研究の動機と目的

• 宇宙マイクロ波背景放射 (CMB) の大スケール偏光を高感度で測定し、インフレーションに由来する原始的 B モード信号を検出すること。
• テンソル対スカラー比 r の上限を 99.7% 信頼水準で 0.03 まで改善し、インフレーション宇宙論の予測を検証すること。
• シンクロtron放射およびダスト放射に由来する銀河平面の偏光foregroundを広域マッピングし、星間磁場およびダスト粒子の性質を研究すること。
• 43–245 GHz の広帯域周波数カバレッジを活用し、各バンドで同等の分解能を確保することで、foreground 汚染の最適制御を実現すること。
• 地球を太陽シールドとして利用した長時間飛行、極域を周回する気球飛行により、安定的かつ連続的な観測を実現し、北天の空を観測すること。

提案手法

• コherent HEMT を用いた偏光計（43 GHz および 90 GHz）を搭載した二重装置を採用し、高感度かつ低ノイズを実現する。
• 大スループットのマルチモードボロメータと回転する半波長板 (HWP) を装備したボロメトリック偏光計（95 GHz, 145 GHz, 245 GHz）を統合し、周波数に一致する偏光マッピングを実現する。
• 方位角方向に回転するプラットフォームを用い、極夜期に北天の約 25% を走査。地球の影を活用して熱負荷を低減する。
• 大スケール CMB モード、特に multipoles l < 10 の B モード信号に最適化された粗い角分解能（約 1.5° FWHM）を達成する。
• 3 バンドにわたる周波数多重観測を実施し、スペクトルフィッティングにより CMB 信号と偏光を持つ銀河平面foreground を分離する。
• 冷却された HEMT アンプおよびボロメータを用い、低システム温度と高いダイナミックレンジを維持することで、高精度な偏光測定を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LSPE ミッションは、インフレーションに起因する原始的 B モード信号を検出可能か、あるいは 99.7% 信頼水準でテンソル対スカラー比 r を 0.03 まで厳密に制限できるか？
• RQ2 LSPE は、複数の周波数バンドで銀河平面のシンクロtron放射およびダスト放射の偏光をどの程度高精度にマッピングできるか？
• RQ3 43–245 GHz の多周波数観測により、CMB B モード測定における偏光foreground の混在（confusion）はどの程度抑制可能か？
• RQ4 長時間飛行、極域を周回する気球ミッションは、CMB 偏光研究における安定的かつ連続的な天の空カバレッジをどの程度達成できるか？
• RQ5 回転する半波長板を装備した HEMT とボロメトリック偏光計の組み合わせにより、高精度で周波数に一致した偏光測定はどの程度実現可能か？

主な発見

• LSPE は、テンソル対スカラー比 r について 99.7% 信頼水準で 0.03 の感度限界を達成するよう設計されており、従来の制限を著しく改善する。
• ミッションは、粗い角分解能（約 1.5° FWHM）を用いて、25% の天の領域を大スケール CMB 偏光モードに焦点を当ててマッピングする。
• 43/90 GHz での HEMT 偏光計と 95/145/245 GHz でのボロメトリック偏光計の二重装置アプローチにより、全バンドで同等の角分解能と最適な foreground 制御が実現される。
• ボロメトリックアレイに回転する半波長板を用いることで、偏光信号の変調が可能となり、感度が向上し、低周波数ノイズが低減する。
• 極夜期の長時間飛行により、地球の影を活用した安定的かつ連続的な北天の観測が可能となり、熱的・指向的擾乱が最小限に抑えられる。
• ミッションは、星間磁場およびダスト粒子の配列性質の研究を可能にする高精度な銀河平面偏光foreground マップを生成する。