[논문 리뷰] Microwave Spectro-Polarimetry of Matter and Radiation across Space and Time

Jacques Delabrouille, Maximilian H. Abitbol외 78명|arXiv (Cornell University)|2019. 09. 04.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 195인용 수 37

한 줄 요약

아크분해에서 전체 하늘 규모에 이르는 우주_history 전반에 걸친 물질과 방사선을 전 하늘에 걸친 스펙트로-편광 인구조사를 SZ 효과, 렌징, 고적 에미션, 주 CMB, 스펙트럼 왜곡을 이용하여 수행하는 고감도 다기관 우주 임무를 제안한다.

ABSTRACT

This paper discusses the science case for a sensitive spectro-polarimetric survey of the microwave sky. Such a survey would provide a tomographic and dynamic census of the three-dimensional distribution of hot gas, velocity flows, early metals, dust, and mass distribution in the entire Hubble volume, exploit CMB temperature and polarisation anisotropies down to fundamental limits, and track energy injection and absorption into the radiation background across cosmic times by measuring spectral distortions of the CMB blackbody emission. In addition to its exceptional capability for cosmology and fundamental physics, such a survey would provide an unprecedented view of microwave emissions at sub-arcminute to few-arcminute angular resolution in hundreds of frequency channels, a data set that would be of immense legacy value for many branches of astrophysics. We propose that this survey be carried-out with a large space mission featuring a broad-band polarised imager and a moderate resolution spectro-imager at the focus of a 3.5m aperture telescope actively cooled to about 8K, complemented with absolutely-calibrated Fourier Transform Spectrometer modules observing at degree-scale angular resolution in the 10-2000 GHz frequency range. We propose two observing modes: a survey mode to map the entire sky as well as a few selected wide fields, and an observatory mode for deeper observations of regions of specific interest.

연구 동기 및 목표

• 우주에서의 마지막 산란면으로부터 현재까지의 물질과 방사선에 대한 포괄적 인구조사를 microwave 스펙트로-편광 측정으로 수행하기 위한 동기를 부여한다.
• 관찰 가능량(SZ 효과, CMB 렌징, 고적 고조선(emission)선, 주 CMB, 스펙트럴 왜곡)을 정의하여 시공간에 걸친 3D 우주망을 매핑한다.
• 10–2000 GHz 대역에서 각기 다른 스펙트럼 및 각도 해상도에 걸친 임무 개념, 기기 및 기술 로드맵을 개요화한다.
• 우주론, 천체물리학, 기본 물리학 전반에 걸친 과학적 영향력과Legacy 가치를 강조한다.

제안 방법

• 10–2000 GHz를 서로 다른 스펙트럼 해상도 및 각도 해상도에서 관측하는 세 가지 기기를 갖춘 우주 기반 설문조사를 제안한다.
• 대형 3 m급 냉각 망원경을 사용하여 300 GHz에서의 전 대역 극편/편광 이미저와 보통 해상도 필터뱅크 분광계에서 아크분해 규모의 해상도를 달성한다.
• 2.5–60 GHz 스펙트럴 해상도를 가진 고감도 절대 분광 Fourier 변환 분광기(FTS)를 전체 대역에 걸쳐 포함한다.
• 6년 간 L2 궤도에서의 설문조사 및 천문대 모드를 운영하고, 추가 과학을 위한 게스트 플로우(관측장치)를 허용한다.
• 도구 heritage 및 기술 준비성을 inform하기 위해 CORE, PICO, SPICA, PIXIE, PRISTINE 등의 선행 임무 개념을 활용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고감도 다주파수 마이크로파 관측이 우주 역사 전반에 걸친 바리온 및 암흑 물질 구조의 완전한 인구조사를 가능하게 하는가?
• RQ2 tSZ, kSZ, rSZ, ntSZ, CIB 신호를 분리하고 가스, 속도장, 렌징을 매핑하기 위해 필요한 감도, 각도 해상도, 스펙트럴 해상도, 주파수 채널은 무엇인가?
• RQ3 CMB 렌징, SZ 단층영상(SZ tomography), 스펙트럴 왜곡의 현실적 가능성은 ΛCDM 확장을 그리고 기본 물리를 제약하는가?
• RQ4 주된 CMB 정밀도, SZ 진단, 스펙트럴 왜곡 측정을 10–2000 GHz 대역에서 최적으로 구현하는 임무 설계(기기, 설문 전략, 기간)는 무엇인가?
• RQ5 제안된 관측이 인플레이션, 암흑 물질/에너지 특성, 재전리화 역사와 같은 열린 우주론적 질문을 어떻게 다룰 수 있는가?

주요 결과

• 전하늘 아크분해 해상도 SZ 및 렌징 인구조사를 통해 y-매개변수 감도 δY500 ≈ 9×10^-7로 5×10^13 Msun 이상 모든 클러스터를 감지하고 δY500 ≈ 5×10^-8를 목표로 할 수 있다.
• 클러스터 신호를 회복하고 관련 규모에서 kSZ를 효과적으로 측정하려면 약 1.5′의 각도 해상도(목표 1′)가 필요하다.
• SZ, CIB 및 전경을 분리하려면 약 50–800 GHz 범위의 약 20개 주파수 대역의 넓은 다채널 설문이 필요하며, 핵심 채널은 150, 220, 350 GHz에 있다.
• CMB 렌징 재구성은 높은 편광 측정의 높은 감도 이점으로 인해 4′ 해상도에서 0.1–0.3 μK·arcmin, TT 맵에서 2–4′ 해상도에서 약 3 μK·arcmin에서 포화에 이르는 성능을 보인다.
• FTS를 통한 10–2000 GHz의 절대 스펙트로그래피는 COBE-FIRAS보다 4–5 계급의 민감도를 달성할 수 있어 정확한 스펙트럴 왜곡 연구와 재결합 복사 연구를 가능하게 한다.
• 이 임무는 현대의 한계를 넘어서는 과학적 영향력과 Legacy 설문을 가능하게 한다.