[論文レビュー] Three-Year Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) Observations: Foreground Polarization

A. Kogut, Jo Dunkley+15 more|arXiv (Cornell University)|Apr 30, 2007

Superconducting and THz Device Technology参考文献 1被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、23–94 GHzのWAMP3年分のデータを用いて、全天空にわたる偏光付きの銀河系マイクロ波放射の周波数依存モデルを提示する。5つの周波数帯域すべてでステークスQおよびUマップにフィットすることで、シンクロトロン放射と熱的ダスト放射を分離し、2成分モデルが偏光信号の少なくとも97％を説明できることを明らかにした。シンクロトロン放射は60 GHz未満で支配的であり、高緯度部ではダストが顕著に寄与し、平均偏光度は3.6％であった。

ABSTRACT

We present a full-sky model of polarized Galactic microwave emission based on three years of observations by the Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) at frequencies from 23 to 94 GHz. The model compares maps of the Stokes Q and U components from each of the 5 WMAP frequency bands in order to separate synchrotron from dust emission, taking into account the spatial and frequency dependence of the synchrotron and dust components. This simple two-component model of the interstellar medium accounts for at least 97% of the polarized emission in the WMAP maps of the microwave sky. Synchrotron emission dominates the polarized foregrounds at frequencies below 50 GHz, and is comparable to the dust contribution at 65 GHz. The spectral index of the synchrotron component, derived solely from polarization data, is -3.2 averaged over the full sky, with a modestly flatter index on the Galactic plane. The synchrotron emission has mean polarization fraction 2--4% in the Galactic plane and rising to over 20% at high latitude, with prominent features such as the North Galactic Spur more polarized than the diffuse component. Thermal dust emission has polarization fraction 1% near the Galactic center, rising to 6% at the anti-center. Diffuse emission from high-latitude dust is also polarized with mean fractional polarization 0.036 +/- 0.011.

研究の動機と目的

• WMAPデータを用いて、全天空にわたる偏光付きマイクロ波前景の主要成分（シンクロトロン放射および熱的ダスト放射）をモデル化・分離すること。
• ステークスQおよびUマップから、シンクロトロンおよびダストの偏光成分の周波数依存性および空間的依存性を特定すること。
• 特に小さな偏光度において、回転するダストやその他の非熱的放射メカニズムが観測された偏光に与える寄与を評価すること。
• ピクセルベースで周波数分解能を持つ偏光放射モデルを提供することで、宇宙論的CMB解析のための前景除去を改善すること。
• 前景モデル化の影響が宇宙論的パラメータ推定（特に光学的厚さτ）に与える影響を定量化すること。

提案手法

• 5つの周波数帯域（23–94 GHz）におけるバンド平均のWMAPステークスQおよびUマップをピクセルごとにフィットすることで、シンクロトロン放射およびダスト放射成分を分離する。
• 2成分モデルを仮定する。シンクロトロン放射は周波数スペクトルがν^βに比例し、ダスト放射は固定されたスペクトル指数を持つ。両者とも部分的に偏光している。
• シンクロトロン放射のスペクトル指数βは、偏光データからのみ導出され、平均でβ = -3.2を示し、銀河平面付近ではより平坦な値（β ≈ -3.0）が観測された。
• 偏光度は天球上の位置関数として計算され、シンクロトロンは高緯度部で最大20％に達し、ダストは反銀河中心部で6％に達する。
• 非偏光シンクロトロン放射の最大エントロピーモデルとの比較により、偏光度の推定値の妥当性を検証する。
• 残差パワースペクトルおよび共分散解析を用いて、モデルが宇宙論的信号および機器ノイズと整合しているかを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 全マイクロ波天の偏光付きシンクロトロンおよび熱的ダスト放射の周波数依存性および空間的依存性は何か？
• RQ2 回転するダストは観測された偏光にどの程度寄与しているか。WMAP偏光データからその寄与は制約可能か？
• RQ3 特に銀河平面付近および高緯度部において、シンクロトロンおよびダスト放射の偏光度はどのように変化するか？
• RQ4 異なる前景モデルをWMAP偏光データに適用した場合、宇宙論的パラメータ推定（特に光学的厚さτ）はどの程度頑健か？
• RQ5 単純な2成分モデルは、WMAPデータにおける観測された偏光マイクロ波放射の大部分を説明できるか？

主な発見

• シンクロトロンおよび熱的ダスト放射の2成分モデルは、WMAPの天のマップにおける偏光マイクロ波放射の少なくとも97％を説明している。
• シンクロトロン成分のスペクトル指数は平均でβ = -3.2であり、銀河平面ではより平坦な指数（β ≈ -3.0）が観測された。
• シンクロトロン放射の平均偏光度は銀河平面で2–4％であり、高緯度部では20％以上に上昇し、北銀河スプルなどの局所的増幅域ではさらに高い値を示す。
• 熱的ダスト放射の偏光度は銀河中心部で1％程度であり、反銀河中心部に達して6％に増加する。高緯度の拡散ダストでは平均偏光度が3.6% ± 1.1%であった。
• 回転するダストは、どの周波数帯でも観測された偏光信号分散の1％未満を寄与しており、偏光への寄与はゼロと一致している。
• 宇宙論的パラメータ推定は、前景モデルの不確実性に対して頑健であり、テンプレートモデルからピクセルベースの前景モデルに切り替えた際、光学的厚さτのずれはたった0.006（不確実性のおよそ1/5）にとどまった。