[論文レビュー] The Wilkinson Microwave Anisotropy Probe

Lyman A. Page|arXiv (Cornell University)|Jun 18, 2003

Radio Astronomy Observations and Technology被引用数 7

ひとこと要約

ウィルキンソン微波異方性計測機（WMAP）は、5つの周波数帯域で、マイクロケルビン未塔の感度で、全天空にわたる宇宙マイクロ波背景（CMB）の温度および偏光異方性の高精度マップを生成した。このミッションは、高い有意水準で平坦なΛCDMモデルを確認し、アインシュタイン＝ド・シータモデルを5σ以上で除外した。また、赤方偏移z≈20における初期星形成の強力な証拠を示した。

ABSTRACT

The Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) has mapped the full sky in five frequency bands between 23 and 94 GHz. The primary goal of the mission is to produce high-fidelity, all-sky, polarization-sensitive maps that can be used to study the cosmic microwave background. Systematic errors in the maps are constrained to new levels: using all-sky data, aspects of the anisotropy may confidently be probed to sub-microKelvin levels. We give a brief description of the instrument and an overview of the first results from an analysis of maps made with one year of data. The highlights are (1) the flat Lambda-CDM model fits the data remarkably well, whereas an Einstein-de Sitter model does not; (2) we see evidence of the birth of the first generation of stars at z ~ 20; (3) when the WMAP data are combined and compared with other cosmological probes, a cosmic consistency emerges: multiple different lines of inquiry lead to the same results.

研究の動機と目的

• 宇宙マイクロ波背景（CMB）異方性の高精度で全天空にわたる偏光感受性マップを作成すること。
• CMBデータのみを用いて、これまでにない精度で宇宙論的パラメータを制約すること。
• 全天空CMBデータを用いて、平坦なΛCDMモデルやアインシュタイン＝ド・シータモデルを含む、互いに競合する宇宙論的モデルを検証すること。
• 最初の世代の星や原始フラクチュエーションなどの、初期宇宙物理学の痕跡を検出すること。
• 系統誤差を新しい水準まで低減し、マイクロケルビン未塔の感度におけるCMB異方性の解釈を堅牢にすること。

提案手法

• 23–94 GHzの5周波数帯域の放射計システム（差動放射計）を用い、天の明るさ温度の変動を測定した。
• 太陽-地球L2点のホーリー軌道に位置する安定で熱的に遮断された宇宙船を用い、熱的および機械的系統誤差を最小限に抑えた。
• ビームの非対称性およびサイドローブ応答を補正するために、対称化されたスキャンおよびビームマッピング技術を採用した。
• 時間順データのキャリブレーションおよびノイズフィルタリングを含め、系統誤差を特定・低減するための高度なデータ処理パイプラインを実装した。
• 多極子ℓ = 2から400の範囲で、CMB異方性の統計的性質を抽出するために、角度パワー スペクトル解析を用いた。
• 2dFGRSなどの外部プローブとWMAPデータを組み合わせ、宇宙論的パラメータの制約を高めるとともに、モデルの一貫性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 平坦なΛCDMモデルは、WMAPが測定した全天空CMB異方性に対して統計的に適切なフィットを示すか？
• RQ2 外部のハッブル定数hに関する事前分布を一切用いずに、WMAPデータがアインシュタイン＝ド・シータモデルをどの程度まで除外できるか？
• RQ3 CMBパワー スペクトルに、高赤方偏移における最初の星の形成の証拠は存在するか？
• RQ4 CMB測定値は、銀河図やクラスタの頻度といった他の宇宙論的プローブとどの程度整合するか？
• RQ5 観測されたCMB異方性は、超視界初期フラクチュエーションによって説明可能であり、これはインフレーションモデルにどのような含意を持つのか？

主な発見

• 平坦なΛCDMモデルは、WMAPデータに非常に良好にフィットしており、自由度調整済みχ²は1に近く、データとの整合性が極めて高いことを示している。
• 外部のハッブル定数hに関する事前分布を一切用いずに、CMBデータのみに基づいても、アインシュタイン＝ド・シータモデルは5σ以上の有意水準で除外された。
• 最初の世代の星の形成の証拠は、低ℓ CMBパワー スペクトルの振幅および形状から、赤方偏移z ≈ 20で検出された。
• CMB温度-偏光クロス相関は、特に50 < ℓ < 150の範囲での反相関を示し、ΛCDMの予測と整合的である。
• 観測されたCMBフラクチュエーションは、高い精度でガウス分布に従うことが確認され、標準的なインフレーションパラダイムを支持する。
• 低次の四重極子パワー（ℓ=2）は、最良のフィットするΛCDMモデルとは1/500の確率で不一致であるが、これは事後的な評価であり、決定的ではないとされる。