[論文レビュー] Tibet's Ali: A New Window to Detect the CMB Polarization

Yongping Li, Yang Liu+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 25, 2017

Geophysics and Gravity Measurements被引用数 6

ひとこと要約

本論文はチベットのアリサイトを宇宙背景放射（CMB）Bモード偏光を検出するための主要な地上観測地点として評価し、大気の乾燥度が極めて高い（5250 mでは中央値PWV ≈ 1.0 mm、6000 mでは ≈0.6 mm）ことと、望ましい天の川カバーを示している。AliCPT-1およびAliCPT-2を北半球に位置する補完的で、前景汚染が少ないCMB実験として確立し、原始重力波の検出において南極とアタカマに並ぶ重要な地点としてアリを位置づけている。

ABSTRACT

The Cosmic Microwave Background (CMB) Polarization plays an important role in current cosmological studies. CMB B-mode polarization is the most effective probe to primordial gravitational waves (PGWs) and a test of the inflation as well as other theories of the early universe such as bouncing and cyclic universe. So far, major ground-based CMB polarization experiments are located in the southern hemisphere.Recently, China has launched the Ali CMB Polarization Telescope (AliCPT) in Tibetan Plateau to measure CMB B mode polarization and detect the PGWs in northern hemisphere. AliCPT include two stages, the first one is to build a telescope at the 5250m site (AliCPT-1) and the second one is to have a more sensitive telescope at a higher altitude of about 6000m (AliCPT-2). In this paper, we report the atmospherical conditions, sky coverage and the current infrastructure associated with AliCPT. We analyzed the reanalysis data from MERRA-2 together with radiosonde data from the Ali Meteorological Service and found that the amount of water vapor has a heavy seasonal variation and October to March is the suitable observation time. We also found 95/150 GHz to be feasible for AliCPT-1 and higher frequencies to be possible for AliCPT-2. Then we analyzed the observable sky and the target fields, and showed that Ali provides us a unique opportunity to observe CMB with less foreground contamination in the northern hemisphere and is complementary to the existed southern CMB experiments. Together with the developed infrastructure, we point out that Ali opens a new window for CMB observation and will be one of the major sites in the world along with Antarctic and Atacama.

研究の動機と目的

• 地上CMB偏光実験のためのチベット・アリ地点における大気状態を評価すること。
• 降水量水蒸気量（PWV）と天の川カバーに基づいた最適観測期間を特定すること。
• 95/150 GHz（AliCPT-1）およびより高い周波数（AliCPT-2）における多周波数CMB観測の可能性を評価すること。
• 南半球のCMB地点（南極、アタカマなど）と比較して、アリの観測的利点を評価すること。
• 原始重力波の検出を目的としたCMB Bモード偏光観測において、アリを補完的かつ高い可能性を有する地点として確立すること。

提案手法

• MERRA-2再解析データおよびラジオゾンデ測定値を用いて、アリ地点における季節的降水量水蒸気量（PWV）を推定する。
• 大気透過率および輝度温度放射を計算し、水蒸気による信号対雑音比の低下を評価する。
• Planck 2015年におけるダスト放射データ（545 GHz）を用いて、観測可能領域と前景汚染をモデル化する。
• 液体水路（LWP）および氷水路（IWP）の評価を通じて、大気状態を分析する。
• 南極、アタカマ、ドームAなど複数のCMB地点における天の川カバーと観測期間を比較する。
• 電源、通信、アクセスを含む、AliCPT-1およびAliCPT-2のインフラおよび物流支援状況を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アリ地点における降水量水蒸気量（PWV）の季節的変動は何か？最適観測期間はいつか？
• RQ2 アリ地点におけるミリ波長帯の透過率および放射は周波数にどのように依存するか？AliCPT-1およびAliCPT-2に適した周波数は何か？
• RQ3 AliCPTの観測可能天の川カバーはどの程度か？低前景領域へのアクセスにおいて、既存の南半球CMB実験と比較してどうか？
• RQ4 アリ地点は、特に北天の銀河赤道帯において、既存のCMB実験とどの程度補完的な天の川アクセスを提供するか？
• RQ5 アリ地点の大気状態およびインフラは、南極、アタカマ、ドームAなどの主要CMB地点と比較してどうか？

主な発見

• AliCPT-1地点（5250 m）における中央値PWVは約1.07 mmであり、10月から3月にかけてピーク観測期間が得られ、95/150 GHz観測に適している。
• より高い高度にあるAliCPT-2地点（6000 m）では、中央値PWVが0.62 mmに低下し、より高い周波数での観測が可能になる。
• アリは北銀河天の川を完全にカバーし、南銀河天の川の一部（ダストが少ない領域TN1、TN2、TS）にもアクセス可能で、前景輝度温度は10.0 μK_RJから1.0×10⁴ μK_RJの間である。
• AliCPTの観測可能天の川割合は70%であり、南極（20%）よりも顕著に高く、アタカマ（80%）と同等だが、北半球で補完的なカバーを提供する。
• 前景汚染が低く、良好な大気状態であるため、原始重力波のCMB Bモード偏光による検出に最適である。
• AliCPTは物流的に実現可能であり、電源、インターネット、空路アクセスを含むインフラを備えており、南極とアタカマに並ぶ将来の主要CMB観測所として位置づけられる。