[논문 리뷰] Measuring Light from the Epoch of Reionization with CIBER, the Cosmic Infrared Background Experiment

M. Zemcov, Toshiaki Arai외 18명|arXiv (Cornell University)|2011. 01. 08.

Superconducting and THz Device Technology인용 수 4

한 줄 요약

CIBER는 우주적 적외선 배경(CIB)과 그 공간적 변동성을 측정하여 재결합 시대의 빛을 탐색한다. 음향 로켓 운반체에 장착된 박편 이미저, 저해상도 스펙트로미터, 고해상도 스펙트로미터를 통해 천구광을 맵핑한다. 첫 비행은 확산된 근적외선 배경 수준을 확인하고 재결합 신호를 제약하였으며, 향후 CIBER-2와 ZEBRA와 같은 임무들은 감도를 향상시켜 태양계 외곽에서 재결합을 확정적으로 측정할 수 있도록 할 것이다.

ABSTRACT

Ultraviolet emission from the first generation of stars in the Universe ionized the intergalactic medium in a process which was completed by z~6; the wavelength of these photons has been redshifted by (1+z) into the near infrared today and can be measured using instruments situated above the Earth's atmosphere. First flying in February 2009, the Cosmic Infrared Background Experiment (CIBER) comprises four instruments housed in a single reusable sounding rocket borne payload. CIBER will measure spatial anisotropies in the extragalactic IR background caused by cosmological structure from the epoch of reionization using two broadband imaging instruments, make a detailed characterization of the spectral shape of the IR background using a low resolution spectrometer, and measure the absolute brightness of the Zodical light foreground with a high resolution spectrometer in each of our six science fields. This paper presents the scientific motivation for CIBER and details of its first two flights, including a review of the published scientific results from the first flight and an outlook for future reionization science with CIBER data.

연구 동기 및 목표

• 재결합 시대(EoR) 동안 처음으로 형성된 별들이 간성간 매질을 이온화한 시기를 탐색하기 위해 은하간 적외선 배경(EBL)과 그 공간적 이방이성을 측정한다.
• 해상도가 낮은 은하 수의 통합 계수와 절대 광도 측정값 사이의 괴리 문제를 해결하기 위해 EoR에서 기인하는 희미하고 확산된 방출을 탐지한다.
• 근적외선 EBL의 스펙트럼 형태를 특성화하고 천구광과 같은 외부 신호를 제거하여 재결합 신호를 분리한다.
• CIBER-2와 ZEBRA와 같은 향후 임무를 통해 재결합 변동성에 대한 감도를 향상시켜 헬리오센터 거리 >5 AU까지 관측을 연장한다.
• 특히 라디오 및 마이크로파 방법이 제한되는 영역에서 근적외선 배경 변동을 이용해 초기 별 형성 역사를 보완적으로 제약한다.

제안 방법

• CIBER는 재사용 가능한 음향 로켓 운반체를 사용하며, 네 대의 기구를 탑재한다: EBL의 공간 이방이성을 측정하기 위한 두 대의 박편 이미저, EBL 스펙트럼 형태를 측정하기 위한 저해상도 스펙트로미터(LRS), 천구광 외부 신호를 맵핑하기 위한 두 대의 고해상도 스펙트로미터(HRS).
• 운반체는 대기에서의 방출 및 흡수를 대부분 피할 수 있도록 300 km 이상의 고도에서 비행하여 근적외선 천구의 고다이나믹 레인지 측정을 가능하게 한다.
• LRS는 0.7에서 2.1 μm 사이의 EBL 스펙트럼을 측정하여 최초의 별에서 기인한 적외선 방출의 릴리언 커팅 서명을 탐지할 수 있다.
• HRS 기구들은 여섯 개의 별개 천체 영역에서 천구광을 고해상도 스펙트로스코피로 측정하여 이 주요 외부 신호를 모델링하고 EBL 신호에서 제거한다.
• 첫 두 번의 비행에서의 데이터는 외부 신호 모델을 校정하고 근적외선 배경에서 EoR 변동의 진폭을 제약하는 데 사용된다.
• 향후 임무인 CIBER-2는 망원경의 개구구경과 대역 수(2에서 4로)를 증가시켜 CIBER 대비 약 10배의 감도 향상을 통해 EoR 변동성에 대한 감도를 향상시킬 것이다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 재결합 시대에 기인한 근적외선 은하간 배경광(EBL)의 진폭과 공간적 파wer 스펙트럼은 무엇인가?
• RQ2 확산된 근적외선 EBL은 어느 정도의 첫 별 방출을 포함하고 있으며, 해상도가 높은 은하의 통합 빛과 비교해 볼 때 어떻게 다른가?
• RQ3 근적외선 EBL 스펙트럼에서 가시광선과 근적외선 측정 사이의 간극에서 재결합의 릴리언 커팅 서명을 탐지할 수 있는가?
• RQ4 어떻게 하면 천구광 외부 신호를 정확하게 모델링하고 제거하여 희미한 재결합 신호를 분리할 수 있는가?
• RQ5 천구광이 상당히 감소한 태양계 외곽에서 직접 광도 측정을 통해 재결합 배경을 탐지할 수 있는 가능성은 무엇인가?

주요 결과

• 첫 CIBER 비행은 0.7에서 2.1 μm 사이의 근적외선 EBL 스펙트럼을 고다이나믹 레인지로 측정하여, 해상도가 높은 은하에 의해 설명되지 않는 확산 배경 성분의 존재를 확인했다.
• 3.6 μm에서 측정된 EBL(12.4 ± 3.2 nW m⁻² sr⁻¹)은 깊은 Spitzer 설문조사의 통합 계수(6–9 nW m⁻² sr⁻¹)보다 높아, 상당한 해상도가 낮은 확산 성분이 있음을 시사한다.
• CIBER의 고해상도 스펙트로미터는 여섯 개의 천체 영역에서 천구광 외부 신호를 성공적으로 맵핑하여, 이 주요 외부 신호를 정밀하게 제거하고 EBL을 분리하는 데 기여했다.
• 첫 비행은 근적외선 EBL에서 EoR에 기인한 변동의 진폭을 제약하였으며, 재결합의 광학적 길이와 초기 별 형성의 EBL 기여도에 대한 제약을 설정했다.
• CIBER-2는 네 개의 대역에서 EoR 변동성에 대한 감도를 약 10배 향상시켜 재결합 신호 탐지의 이론적 감도 한계에 가까이 다가설 것이다.
• ZEBRA 임무 개념은 태양계 외곽(>5 AU)에 배치되도록 설계되어 천구광을 약 1000배 감소시켜 재결합 배경의 확정적인 광도 측정을 가능하게 할 것이다.