[論文レビュー] The QUIJOTE CMB Experiment: status and first results with the multi-frequency instrument

M. López-Caniego, R. Rébolo+50 more|arXiv (Cornell University)|Jan 19, 2014

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 4被引用数 9

ひとこと要約

2012年からテイデ天文台で稼働しているQUIJOTE CMB実験は、10–20 GHzの多周波数機器を用い、北半球の18,000平方度の領域をカバーする宇宙マイクロ波背景（CMB）の偏光をマッピングしており、11–19 GHzで1ビームあたり約14 μKの感度を達成している。3年間の観測後、テンソル対スカラー比 r > 0.05 の原始的Bモード偏光を検出することを目的としており、インフレーションモデルの検証と銀河系の前景放射の特徴付けに不可欠なデータを提供する。

ABSTRACT

The QUIJOTE (Q-U-I JOint Tenerife) CMB Experiment is designed to observe the polarization of the Cosmic Microwave Background and other Galactic and extragalactic signals at medium and large angular scales in the frequency range of 10-40 GHz. The first of the two QUIJOTE telescopes and the multi-frequency (10-20 GHz) instrument have been in operation since November 2012. In 2014 a second telescope and a new instrument at 30GHz will be ready for commissioning, and an additional instrument at 40 GHz is in its final design stages. After three years of effective observations, the data obtained by these telescopes and instruments will have the required sensitivity to detect a primordial gravitational-wave component if the tensor-to-scalar ratio is larger than r = 0.05. At the moment, we have completed half of the wide Galactic survey with the multi-frequency instrument covering 18 000 square degrees of the Northern hemisphere. When we finish this survey in early 2014, we shall have reached approximately 14μK per one degree beam at 11, 13, 17 and 19 GHz, in both Q and U.

研究の動機と目的

• 10–40 GHzの周波数帯域で、中規模および大規模なスケールにおける宇宙マイクロ波背景（CMB）の偏光を測定し、インフレーションモデルを検証すること。
• テンソル対スカラー比 r で定量化される原始的重力波を、Bモード偏光信号によって検出すること。
• シンクロtron放射、異常マイクロ波放射、偏光を持つ天体源を含む、銀河系および銀河間の前景放射を特徴付けること。
• 高感度で度スケールの偏光マップを提供することで、Planck衛星のデータを補完し、スペクトル指数および磁場構造の研究を向上させること。
• 高精度なCMB偏光マップを用いて、重力レンズ効果の再構築と暗黒エネルギーのパラメータ推定を可能にすること。

提案手法

• 実験はテイデ天文台に設置された2台の専用望遠鏡（QT1およびQT2）を用い、周波数に特化した偏光計器を装備している。
• 多周波数機器（MFI）は11、13、17、19 GHzで動作し、各周波数に2×2のホーンフィードを備え、ビームの全波幅半値（FWHM）は0.92°から0.60°の範囲にある。
• 30 GHz用の機器（TGI）と40 GHz用の機器（FGI）は第2フェーズで開発中であり、それぞれ31および40の偏光計器を備える予定である。
• 全周波数帯域でシステム温度（Tsys）を約25 Kに維持することで、低熱雑音を実現し、高感度測定を可能としている。
• データ処理によりストークスQおよびUマップが生成され、これによりEモードおよびBモード偏光の角スペクトルの計算が可能になる。
• 前景放射の除去技術が適用され、原始的Bモード信号を分離する。シミュレーションでは残存汚染が無視できる程度と仮定している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 3年間の統合観測後、QUIJOTE実験はテンソル対スカラー比 r > 0.05 の原始的Bモード信号を検出可能か？
• RQ2 MFI機器は11–19 GHz帯域で、18,000平方度の領域にわたり、銀河系の偏光放射に対してどの程度の感度を有するか？
• RQ3 QUIJOTEマップは、Planckと比較してシンクロtronスペクトル指数および異常マイクロ波放射の特徴付けをどの程度向上させるか？
• RQ4 QUIJOTEとPlanckのデータを組み合わせることで、大規模な銀河系磁場構造をどの程度まで制約できるか？
• RQ5 実験は北極付近のスプール、銀河系ハース、またはコールドスポットからの偏光信号を高信頼性で検出可能か？

主な発見

• 3年間の有効観測後、QUIJOTEは北半球の18,000平方度の領域において、11、13、17、19 GHzで1ビームあたり約14 μKの感度に達する。
• MFI機器は既に広域銀河系調査の半分を完了しており、11–19 GHzで18,000平方度をカバーし、ノイズレベルは約14 μK/ビームである。
• 30 GHzのTGI機器は1年間の統合後、ノイズレベル約0.5 μK/ビームに達すると予想され、r = 0.1の原始的Bモードを検出可能になる。
• 第2フェーズでは、30 GHzおよび40 GHzの機器を同時に稼働させることで、3年間のデータ蓄積でr = 0.05の検出感度に達する。
• QUIJOTEマップはPlanckデータと相補的であり、シンクロtronスペクトル指数および曲率の高精度測定を可能にし、宇宙線電子の物理学を制約する。
• 実験はペルセウスにおける偏光的異常マイクロ波放射および銀河系ハースの研究を可能とし、それぞれ150時間および160時間の専用観測が実施された。