[논문 리뷰] Lambda-CDM and the WMAP power spectrum beam profile sensitivity

Utane Sawangwit, T. Shanks|arXiv (Cornell University)|2010. 06. 07.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 5인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 WMAP CMB 파wer 스펙트럼이 레이디오미터의 비드 프로파일에 매우 민감하며, 특히 장거리의 등급형 꼬리( sidelobes)로 인해 그렇다고 보여준다. 스택된 은하계 소스 프로파일을 분석함으로써 저자들은 WMAP 팀이 가정한 것보다 넓은 비드를 발견했으며, 이러한 관측과 일치하는 비드 프로파일이 첫 번째 음향 피크를 l≈220에서 l≈330로 이동시켜 Ω_baryon=1 이고 낮은 H₀를 가진 단순한 ΛCDM 모형이 데이터에 잘 맞을 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

We first discuss the sensitivity of the WMAP CMB power spectrum to systematic errors by calculating the raw CMB power spectrum from WMAP data. We find that the power spectrum is surprisingly sensitive to the WMAP radiometer beam profile even at the position of the first acoustic peak on ~1 degree scales. Although the WMAP beam profile core is only 12.6arcmin FWHM at W, there is a long power-law tail to the beam due to side-lobes and this causes significant effects even at the first peak position. We then test the form of the beam-profile used by the WMAP team which is based on observations of Jupiter. We stacked radio source beam profiles as observed in each WMAP band and found that they showed a wider profile in Q, V, W than the Jupiter profile. We have now checked that this is not due to any Eddington or other bias in our sample by showing that the same results are obtained when radio sources are selected at 1.4GHz and that our methods retrieve the Jupiter beam when it is employed in simulations. Finally, we show that the uncertainty in the WMAP beam profile allows the position as well as the amplitude of the first peak to be changed and how this could allow simpler cosmologies than standard Lambda-CDM to fit the CMB data.

연구 동기 및 목표

• WMAP CMB 파워 스펙트럼이 기구적 비드 프로파일의 불확실성에 얼마나 민감한지 조사한다.
• Jupiter 관측으로 유도된 WMAP 비드 프로파일의 타당성을 독립적인 은하계 소스 데이터로 검증한다.
• 비드 프로파일의 불확실성이 단순한 우주론 모형(예: Ω_baryon=1 및 낮은 H₀)이 CMB 데이터에 맞을 수 있도록 허용할 수 있는지 평가한다.
• 비드 프로파일의 부정확성이 첫 번째 음향 피크의 위치와 진폭 해석에 미치는 영향을 탐색한다.
• 해결되지 않은 은하계 소스에서 관측된 비드 프로파일이 WMAP 팀의 비드 모델과 일치하는지 확인한다.

제안 방법

• 비드 효과를 분리하기 위해 W1과 W2 지도의 상관관계를 사용하여 원시 WMAP W밴드 파워 스펙트럼을 재계산한다.
• Jupiter에서 유도된 비드 프로파일을 사용해 '비드 제거'를 수행한 후 최종 WMAP5 스펙트럼과 원시 스펙트럼을 비교한다.
• WMAP5 은하계 소스 약 150~250개의 위치에 CMB 데이터를 스택하여 Jupiter 관측과 독립적인 비드 프로파일을 측정한다.
• 1.4 GHz에서 선택한 은하계 소스를 사용하여 Eddington 편향을 배제하고 비드 측정치의 일관성을 확인한다.
• 역설계 기법을 통해 원시 W1W2 파워 스펙트럼과 Ω_baryon=1 및 낮은 H₀를 가진 이론적 모델에 대해 모델을 피팅함으로써 비드 프로파일을 재구성한다.
• 중앙에 가우시안, 지수적 전이, 그리고 약 35′에서 큰 스パイ크를 포함하는 '직접 제작' 비드 프로파일을 구성하여 이동된 피크를 재현한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비드 프로파일의 세부 형태, 특히 첫 번째 음향 피크에서의 민감도는 얼마나 되는가?
• RQ2 Jupiter 관측에서 유도된 비드 프로파일이 Q, V, W 밴드에서 스택된 해결되지 않은 은하계 소스에서 측정된 비드 프로파일과 일치하는가?
• RQ3 은하계 소스 데이터와 일치하는 비드 프로파일이 Ω_baryon=1 및 낮은 H₀를 가진 단순한 우주론 모형의 CMB 파워 스펙트럼을 재현할 수 있는가?
• RQ4 비드 부록( sidelobes)이 CMB 파워 스펙트럼의 첫 번째 음향 피크의 위치와 진폭에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 비드 프로파일의 불확실성이 ΛCDM를 요구하지 않고도 WMAP 데이터에 맞는 다른 우주론 모형이 허용되는 정도는 어느 정도인가?

주요 결과

• 원시 WMAP W밴드 파워 스펙트럼은 첫 번째 음향 피크(l≈220)에서 최종 WMAP5 스펙트럼보다 약 2배 낮으며, 이 차이의 약 70%는 비드 프로파일 효과로 인한 것이다.
• 비드 프로파일은 좁은 12.′6 FWHM 가우시안 코어가 있음에도 불구하고 장거리의 등급형 꼬리( sidelobes)를 지니며, 이는 1° 규모에서 파워 스펙트럼에 상당한 영향을 미친다.
• Q, V, W 밴드에서 스택된 은하계 소스 프로파일은 Jupiter에서 유도된 비드 프로파일보다 체계적으로 넓으며, 특히 10′–30′ 각도 스케일에서 그렇다.
• 동일한 방법을 사용한 시뮬레이션을 통해 소스 선택이나 Eddington 효과에 의한 편향이 없음을 확인하였다.
• 약 35′에서 스パイ크를 포함하는 '직접 제작' 비드 프로파일은 첫 번째 피크를 l≈220에서 l≈330으로 성공적으로 이동시켰으며, 이는 Ω_baryon=1, 낮은 H₀ 우주론 모형과 일치한다.
• DIY 비드로 얻어진 '비드 제거' 파워 스펙트럼은 l>600에서 QUAD 실험 데이터와 괜찮은 일치를 보였지만, l>1000에서 일부 불일치가 남아 있다.