[論文レビュー] The Scientific Programme of Planck

The Planck Collaboration|arXiv (Cornell University)|Apr 4, 2006

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 59

ひとこと要約

本論文は、宇宙背景放射（CMB）を複数の周波数で、かつ未だかつてないほど高い感度と空間分解能でマッピングすることを目的とした、プラナンク宇宙ミッションの科学的目標を概説している。CMBの温度および偏光非一様性を測定することで、基礎物理学、インフレーション期の重力波、初期宇宙の熱的歴史に関するほぼすべての宇宙論的情報を抽出することを目的としている。

ABSTRACT

For 40 years, the cosmic microwave background (CMB) has been the most important source of information about the geometry and contents of the Universe. Even so, only a small fraction of the information available in the CMB has been extracted to date. Planck, the third space CMB mission after COBE and WMAP, is designed to extract essentially all of the information in the CMB temperature anisotropies. Planck will also measure to high accuracy the polarization of CMB anisotropies, which encodes not only a wealth of cosmological information but also provides a unique probe of the thermal history of the Universe during the time when the first stars and galaxies formed. Polarization measurements may also detect the signature of a stochastic background of gravitational waves generated during inflation, 10^(-35) s after the Big Bang. This book describes the expected scientific output of the Planck mission, both cosmological and non-cosmological. Chapter 1 summarizes the experimental concept and the operation of the satellite. Chapter 2 covers the core cosmological science of the mission, describing the measurements that Planck will make, what we expect to learn from them about the geometry and contents of the Universe and about fundamental physics, and the combination of CMB data with other data to provide additional insights. Although the primary goal of Planck is cosmology, it will survey the whole sky with an unprecedented combination of frequency coverage, angular resolution, and sensitivity, providing data valuable for a broad range of astrophysics. Chapters 3, 4, and 5 describe non-cosmological astrophysical uses of the Planck data. This book can also be downloaded directly from http://www.rssd.esa.int/Planck .

研究の動機と目的

• 宇宙背景放射（CMB）の温度および偏光非一様性から、ほぼすべての宇宙論的情報を抽出すること。
• CMB偏光を通じて、最初の星や銀河が形成された時代における宇宙の熱的歴史を解明すること。
• インフレーション期に生成された原始的重力波のストキャスティックな背景を、Bモード偏光を通じて検出可能かどうかを調査すること。
• 高感度および多周波数カバレッジを備えた全天調査を通じて、宇宙論を越えた広範な天体物理学的科学を可能にすること。
• プラナンクデータを他の観測データセットと統合することで、宇宙論的パラメータおよび基礎物理学に関する制約を強化すること。

提案手法

• ミリ波およびサブミリ波長で動作する宇宙船搭載望遠鏡を用いて、全天を観測すること。
• 複数の周波数帯域（30–857 GHz）を有する高感度ボロメトリック検出器を用いて、CMB非一様性を測定すること。
• CMBのEモードおよびBモード偏光を高精度で測定し、初期宇宙の物理学を解明すること。
• システムティックな誤差を最小限に抑えて信号の忠実度を最大化するため、高度なキャリブレーションおよびデータ還元技術を適用すること。
• 多周波数観測を用いて、CMB信号と銀河系および銀河間の前景放射を分離すること。
• 外部データセット（例：WMAP、大規模構造調査など）とプラナンクデータを統合することで、宇宙論的制約を強化すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 プラナンクのCMB測定から得られる、ハッブル定数、物質密度、宇宙の曲率といった宇宙論的パラメータの正確な値は何か？
• RQ2 CMBのBモード偏光は、宇宙インフレーションに起因する原始的重力波背景を明らかにできるか？
• RQ3 CMB偏光データは、再電離期における宇宙の熱的歴史をどのように制約できるか？
• RQ4 プラナンクの全天調査で、宇宙論を越えて検出・特徴付けられる天体物理学的源（例：銀河、銀河団、ダスト）は何か？
• RQ5 多周波数観測は、銀河系および銀河間の前景放射からCMB信号を正確に分離するためにどのように機能するか？

主な発見

• プラナンクは、理論的最適に近い感度でCMB温度非一様性を測定し、利用可能なほぼすべての情報を抽出することを目的としている。
• 高精度な偏光測定により、再電離の痕跡の検出と再結合までの光学的厚さの制約が可能になる。
• 本ミッションでは、インフレーションに起因する原始的重力波のストキャスティックな背景の検出または強い上限値の設定が期待される。
• 多周波数カバレッジを有する全天調査により、銀河系および銀河間の源の詳細な特徴づけが可能になる。
• プラナンクと他のミッションのデータを統合することで、宇宙論的パラメータおよび基礎物理学に関する制約が顕著に強化される。
• 本ミッションの設計により、広いダイナミックレンジと感度を備えるため、宇宙論的および非宇宙論的天体物理学的科学の両方が進展する。