[논문 리뷰] Characterization of foreground emission at degree angular scale for CMB B-modes observations. Thermal Dust and Synchrotron signal from Planck and WMAP data

N. Krachmalnicoff, C. Baccigalupi외 3명|arXiv (Cornell University)|2015. 11. 02.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 37인용 수 20

한 줄 요약

이 연구는 CMB B-mode 신호에 대한 오염을 평가하기 위해 플랑크 및 위맵 자료를 사용하여 도자리 각도 척도에서 편광된 동기방출 및 열적 먼지 방출을 특성화한다. 연구 결과, 전천에 걸쳐 100 GHz 이하 주파수에서 동기방출 오염원이 여전히 중요한, 배제할 수 없는 오염원으로 남아 있으며, 최소 오염 강도(r_{FG,min})는 약 0.05에서 약 1.5 사이로 변동한다. 이는 향후 CMB 실험에서 정확한 오염 제거를 위해 저주파수 데이터의 향상이 필요함을 시사한다.

ABSTRACT

We quantify the contamination from polarized diffuse Galactic synchrotron and thermal dust emissions to the B-modes of the CMB anisotropies on the degree angular scale, using data from the Planck and WMAP satellites. We compute power spectra of foreground polarized emissions in 352 circular sky patches located at Galactic latitude |b|>20°, each of which covering a fraction of the sky of about 1.5%. We make use of the spectral properties derived from Planck and WMAP data to extrapolate, in frequency, the amplitude of synchrotron and thermal dust B-modes spectra in the multipole bin centered at $\ell\simeq80$. In this way we estimate, for each analyzed region, the amplitude and frequency of the foreground minimum. We detect both dust and synchrotron signal, at degree angular scale and at 3 confidence level, in 28 regions. Here the minimum of the foreground emission is found at frequencies between 60 and 100 GHz with an amplitude,expressed in terms of the equivalent tensor-to-scalar ratio, r_FG, between ~0.06 and ~1. Some of these regions are located at high Galactic latitudes, in areas close to the ones which are being observed by sub-orbital experiments.In all the other sky patches, where synchrotron or dust B-modes are not detectable with the required confidence, we put upper limits on the minimum foreground contamination and find values of r_FG between ~0.05 and ~1.5, in the frequency range 60-90 GHz. Our results indicate that, with the current sensitivity at low frequency, it is not possible to exclude the presence of synchrotron contamination to CMB cosmological B-modes at the level requested to measure a gravitational waves signal with r~0.01, at frequency <100 GHz, anywhere. Therefore, more accurate data are essential in order to better characterize the synchrotron polarized component, and eventually, remove its contamination to CMB signal through foreground cleaning.

연구 동기 및 목표

• CMB B-mode 탐지에 관련된 도자리 각도 척도에서 편광된 은하계 오염원인 동기방출 및 열적 먼지 방출의 양적 평가.
• 특히 100 GHz 이하 주파수에서 이러한 오염원이 천문학적 B-mode 신호에 미치는 오염 수준 평가.
• 향후 CMB 실험에서 r ≈ 0.01을 탐지하기 위해 목표로 하는 지역에서 최소 오염 오염을 갖는 천체 영역 식별.
• 전천에 걸쳐 주파수 의존적인 최소 오염 강도(r_{FG,min}) 추정치를 제공하여 관측 전략 수립에 기여.

제안 방법

• 편광된 동기방출 및 열적 먼지 방출의 스펙트럼을 계산하기 위해 |b| > 20°인 352개의 원형 천체 영역을 사용하였으며, 각 영역은 약 1.5%의 천구를 차지한다.
• 플랑크 및 위맵 자료의 스펙트럼적 성질을 활용하여, ℓ ≈ 80 중심의 다중극 수준에 해당하는 B-mode 스펙트럼 강도를 외삽하였다.
• 각 천체 영역에서 동기방출 및 먼지 B-mode 강도의 합이 최소가 되는 주파수를 식별하여 최소 오염 강도(r_{FG,min})를 추정하였다.
• 통계적 유의성은 3σ 신뢰 수준에서 평가하여 각 영역의 검출 또는 상한선을 결정하였다.
• BICEP2/케크, 폴라베어, CLASS, LSPE 등 알려진 CMB 실험 영역과 비교하여 결과의 타당성을 검증하였다.
• 동기방출 및 먼지 B-mode가 3σ에서 검출되지 않은 영역에 대해 r_{FG,min}의 상한선을 유도하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전천에 걸쳐 도자리 각도 척도에서 편광된 동기방출 및 열적 먼지 방출의 강도는 어떻게 변하며, 주파수에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ2 r ≈ 0.01을 탐지하기 위한 목표 수준 이하로 최소 오염 오염(r_{FG,min})을 줄일 수 있는 천체 영역은 어디인가?
• RQ3 현재의 저주파수 자료로는 100 GHz 이하 주파수에서 CMB B-mode 측정에 대한 동기방출 오염을 배제할 수 있는가?
• RQ4 저오염 오염 영역에서 동기방출 기여가 r_s < 0.005 이하로 떨어지는 주파수는 어느 정도인가?

주요 결과

• 28개의 천체 영역에서 동기방출 및 열적 먼지 B-mode 신호가 3σ 유의수준에서 검출되었으며, 주파수 60–100 GHz 범위에서 r_{FG,min}는 약 0.06에서 약 1.0 사이로 변동하였다.
• 남은 324개의 천체 영역에서는 60–90 GHz 주파수 범위에서 r_{FG,min}의 상한선이 약 0.05에서 약 1.5 사이로 변동하여 지속적인 오염 위험이 있음을 시사하였다.
• 남반천구에 저오염 상한선이 낮은 큰 영역이 존재하여, 이 영역이 CMB B-mode 관측에 있어 가장 청소된 지역 중 하나임을 확인하였다.
• 100 GHz 이하에서는 동기방출 오염이 여전히 문제시되며, 현재의 저주파수 감도로는 어디서든 이를 배제할 수 없으며, r ≈ 0.01 수준에서도 마찬가지이다.
• 160 GHz 이상 주파수에서는 모든 영역에서 동기방출 기여가 무시할 만큼 낮아지며(r_s < 0.005), 그러나 이 주파수 범위는 더 희미한 중력파 신호를 탐지하기에는 충분하지 않다.
• 결과적으로, 고급 정제 기법을 통해 동기방출 오염원을 특성화하고 제거하기 위해 더 정확한 저주파수 자료가 필수적임을 강조한다.