[논문 리뷰] Power asymmetry in CMB polarization maps from PLANCK : a local variance analysis

Pavan K. Aluri, Arman Shafieloo|arXiv (Cornell University)|2017. 10. 02.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 Planck 2015 CMB 편광 맵에서 저해상도 E-mode 맵에 국소 분산 추정기를 적용하여 반구력 전력 비대칭성을 조사한다. 큰 각도 스케일에서 2.6–3.9%의 유의미한 디폴드 유사 전력 비대칭성이 발견되었으며, 디폴드 방향은 CMB 운동적 디폴드와 일치하여 잠재적인 시스템적 오차 또는 통계적 등방성의 위반을 시사한다.

ABSTRACT

A persistent signal of power asymmetry on opposite hemispheres of CMB sky was seen in full-sky temperature measurements made so far. This asymmetry was seen in microwave sky from WMAP as well as PLANCK satellites, and calls for attention the larger question of \\emph{statistical isotropy}, one of the foundational principles of modern cosmology. In this work we present an analysis of polarized CMB maps from PLANCK 2015 full mission data. We apply the local variance estimator on low resolution $E-$mode maps from PLANCK 2015 polarization \ exttt{Commander} solution. We find a significant hemispherical power asymmetry in polarization data on large angular scales, at the level of $\\sim 2.6-3.9\\%$ depending on the galactic mask, and the circular disc radius used for computing local variance maps. However the direction is found to be pointing broadly towards CMB kinetic dipole direction. Precise measurements of CMB polarization in future will shed light on this apparent discrepancy in the anisotropy axis seen in temperature and polarized CMB sky, and likely influence of systematics on our findings.

연구 동기 및 목표

• 이전에 CMB 온도 맵에서 관측된 반구력 전력 비대칭성(Hemispherical Power Asymmetry, HPA)이 Planck 2015 편광 데이터에 존재하는지 조사하기 위해.
• 다양한 각도 스케일과 마스크를 사용하여 E-mode 편광에서 HPA 탐지의 강건성을 검증하기 위해.
• 비대칭성의 방향이 CMB 운동적 디폴드와 일치하는지 평가하여 시스템적 오차 또는 새로운 물리학의 가능성을 탐색하기 위해.
• P-space (P²=Q²+U²)와 E-space 마스크 간의 차이가 국소 분산 디폴드 탐지에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 다양한 다중극자 범위 l=[20,240], [60,240], [100,240]에서 비대칭성의 크기의 스케일 의존성을 검토하기 위해.

제안 방법

• N_side=256 및 FWHM=40'에서 Planck 2015 Commander 성분 분리 편광 해상도의 저해상도 E-mode 맵에 국소 분산 추정기(LVE)를 적용하였다.
• 공형 원판의 반지름 120'를 사용하여 천구 전역에서 전력의 공간적 변동성을 추정하는 국소 분산 맵을 계산하였다.
• 결과로 얻어진 국소 분산 맵에 디폴드를 피팅하여 전력 비대칭성의 크기와 방향을 정량화하였다.
• 다양한 은하계 마스크(mask080E, mask085E, P-masks)를 사용하여 결과의 강건성과 마스크 선택의 영향을 평가하였다.
• E-mode 맵을 세 개의 다중극자 범위로 필터링하여 비대칭성 크기의 스케일 의존성을 테스트하였다.
• 공개된 소음 시뮬레이션을 수정하여 데이터와 시뮬레이션 간의 소음 수준 차이가 알려져 있음에도 불구하고 통계적 유의성을 계산하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Planck 2015 CMB E-mode 편광 맵에서 큰 각도 스케일에서 유의미한 반구력 전력 비대칭성이 존재하는가?
• RQ2 관측된 비대칭성의 방향은 CMB 운동적 디폴드 방향과 일치하는가?
• RQ3 은하계 마스크의 선택(P-space 대비 E-space)에 따라 비대칭성의 크기가 어떻게 달라지는가?
• RQ4 비대칭성은 다중극자 범위 l=[20,240], [60,240], [100,240]에서 스케일 의존적인가?
• RQ5 관측된 비대칭성은 시스템적 오차의 결과인가, 아니면 CMB 편광장의 통계적 등방성 위반을 시사하는가?

주요 결과

• 저해상도 E-mode 편광 맵에서 큰 각도 스케일(l=[20,240])에서 2.6–3.9%의 유의미한 반구력 전력 비대칭성이 탐지되었다.
• 국소 분산 맵에서 유도된 디폴드 방향(마스크080E: 253.7°, 40.2°; 마스크085E: 266.8°, 40.8°)은 CMB 운동적 디폴드 방향과 매우 가까이 일치하며, 각도 차이는 각각 10.7°와 7.5°였다.
• E-space 마스크의 경우 두 경우 모두 디폴드 크기의 유의성 수준이 p < 0.001이었으며, 큰 스케일에서 탐지의 통계적 신뢰도가 매우 높음을 시사한다.
• 작은 각도 스케일에서(예: l=[100,240]) 디폴드 크기는 유의미하게 감소하였으며, p-값은 약 0.2로 상승하여 비대칭성의 스케일 의존성이 있음을 시사한다.
• E-space 마스크(E-mode 기반)는 P-space 마스크보다 더 일관되고 CMB 디폴드와 더 잘 일치하는 디폴드 방향을 제공하여, P-masks가 E-mode 분석에 최적화되어 있지 않을 수 있음을 시사한다.
• 결과는 Planck 편광 데이터에서 큰 각도 스케일에서 시스템적 오차가 관측된 비대칭성에 영향을 줄 수 있음을 시사하며, 향후 고정밀도 편광 측정이 이를 검증하는 데 필요하다.