[논문 리뷰] PRISM (Polarized Radiation Imaging and Spectroscopy Mission): A White Paper on the Ultimate Polarimetric Spectro-Imaging of the Microwave and Far-Infrared Sky

PRISM Collaboration, Philippe André외 102명|arXiv (Cornell University)|2013. 06. 10.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 12인용 수 83

한 줄 요약

PRISM는 마이크로파에서 적외선까지의 파장에서 전체 극화 및 절대 스펙트럼 해상도를 갖춘 우주 전천문 조사의 최종 목표를 가진 제안된 대규모 우주 임무입니다. 고해상도 극화 영상 장치와 저해상도 스펙트로미터를 조합함으로써 PRISM는 100만 개 이상의 은하단을 탐지하고, 높은 민감도로 우주 적외선 배경을 매핑하며, 인플레이션 기원의 원초적 중력파를 탐지할 수 있어 천체물리학과 천문학 분야에서 획기적인 발전을 이끌 것입니다.

ABSTRACT

PRISM (Polarized Radiation Imaging and Spectroscopy Mission) was proposed to ESA in response to the Call for White Papers for the definition of the L2 and L3 Missions in the ESA Science Programme. PRISM would have two instruments: (1) an imager with a 3.5m mirror (cooled to 4K for high performance in the far-infrared---that is, in the Wien part of the CMB blackbody spectrum), and (2) an Fourier Transform Spectrometer (FTS) somewhat like the COBE FIRAS instrument but over three orders of magnitude more sensitive. Highlights of the new science (beyond the obvious target of B-modes from gravity waves generated during inflation) made possible by these two instruments working in tandem include: (1) the ultimate galaxy cluster survey gathering 10e6 clusters extending to large redshift and measuring their peculiar velocities and temperatures (through the kSZ effect and relativistic corrections to the classic y-distortion spectrum, respectively) (2) a detailed investigation into the nature of the cosmic infrared background (CIB) consisting of at present unresolved dusty high-z galaxies, where most of the star formation in the universe took place, (3) searching for distortions from the perfect CMB blackbody spectrum, which will probe a large number of otherwise inaccessible effects (e.g., energy release through decaying dark matter, the primordial power spectrum on very small scales where measurements today are impossible due to erasure from Silk damping and contamination from non-linear cascading of power from larger length scales). These are but a few of the highlights of the new science that will be made possible with PRISM.

연구 동기 및 목표

• 마이크로파에서 적외선 스펙트럼에 걸쳐 전체 극화 및 절대 스펙트럼 해상도를 갖춘 가장 민감한 전천문 조사 수행.
• 적색편이 z > 2까지의 은하단을 탐지하고 특성화함으로써 대규모 속도장의 정밀한 매핑과 암흑 에너지 및 구조 형성 탐구 가능.
• 적색편이 z > 6까지의 수천 개의 성간별 형성 및 렌즈 효과를 받은 은하들을 탐지함으로써 우주적 별 형성 역사와 간성간 매질 물리학을 드러내는 우주 적외선 배경(CIB)을 해결.
• 인플레이션 기원의 중력파로 인한 원초적 B-mode 편광을 고민감도로 탐지하여 초기 우주의 기본 모델을 시험.
• ALMA, SKA, CCAT와 같은 향후 지상 및 우주 기반 임무를 위한 종합적 전천문 기준 제공을 위해 핵심 주파수 대역에서 깊고 혼잡한 한계에 도달하는 맵을 제공.

제안 방법

• 마이크로파에서 적외선 대역에 걸쳐 고각 해상도 극화 영상 촬영을 위한 약 4 K로 냉각된 3.5 m 망원경 사용.
• 지구의 거의 완벽한 흑체 기준과 천체의 주파수 스펙트럼을 비교함으로써 절대 스펙트로스코피를 가능하게 하는 저해상도 스펙트로미터 배치.
• CMB의 스펙트럼 왜곡을 통해 CMB의 수성-젤도비치(SZ) 효과를 이용해 은하단을 탐지하며, z = 2를 초월하는 범위까지 확장되는 고민감도 및 고각 해상도의 은하단 조사 가능.
• 운동적 SZ 효과 측정을 통해 은하단의 특이 속도를 추론함으로써 허블 부피 내의 대규모 속도장에 대한 완전한 3차원 매핑 가능.
• 고해상도 적외선 영상으로 먼 적색편이에서 먼지가 많은 성간별 형성 은하, 강한 렌즈 효과를 받은 고에너지 별폭발 은하 시스템을 탐지 및 특성화.
• 기존의 조사(예: eROSITA, Euclid)와 PRISM 데이터를 융합하여 교차 캘리브레이션, 개선된 은하단 질량 추정 및 더 흐린 구조의 스택드 X선 분석 가능.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 강도, 편광 및 절대 스펙트럼에서의 전천문 조사로 질량 > 10^14 M☉인 모든 은하단과 5×10^13 M☉ 이상의 대부분을 탐지할 수 있을까? z > 2까지의 범위로 확장 가능한가?
• RQ2 PRISM의 고해상도 극화 영상 및 절대 스펙트럼 해상도는 인플레이션 기원의 중력파로 인한 원초적 B-mode 편광 탐지에 얼마나 기여할 수 있는가?
• RQ3 PRISM는 우주 적외선 배경(CIB)을 얼마나 정확하게 매핑하고, 적색편이 z > 6까지의 별 형성 은하의 볼로메트릭 빛의 밝기 함수 및 군집 특성을 밝힐 수 있는가?
• RQ4 PRISM의 스펙트럼 및 공간 해상도로는 SZ 효과의 상대론적 보정을 탐지하여 은하단 내 기체 온도를 직접 측정할 수 있는가?
• RQ5 PRISM가 여러 주파수 대역에서 혼잡한 한계 민감도로 제공하는 전천문 맵은 ALMA와 같은 지상 간섭계 및 향후 SKA, CCAT와 같은 임무와 어떻게 보완되는가?

주요 결과

• PRISM는 약 100만 개의 은하단을 탐지할 것이며, 이 중 질량 10^14 M☉ 이상의 모든 은하단과 5×10^13 M☉ 이상의 대부분을 z > 2까지 확장하여 탐지할 것이다.
• 운동적 수성-젤도비치 효과를 통해 수십만 개의 은하단의 특이 속도를 측정함으로써 허블 부피 내의 대규모 속도장에 대한 완전한 3차원 매핑이 가능해진다.
• PRISM는 적색편이 z > 6까지의 수천 개의 강한 렌즈 효과를 받은 빛나는 성간별 형성 은하와 수백 개의 극한의 별폭발 은하를 탐지하여 고적색편이에서의 별 형성 및 간성간 매질 물리학에 대한 독특한 통찰을 제공할 것이다.
• 다양한 주파수 대역에서 혼잡한 한계 민감도를 달성하여, 전체 하늘에 걸쳐 허셀 우주 망원경 수준 또는 그 이상의 민감도를 갖춘 전천문 맵을 제공할 것이다.
• PRISM는 잘 조사되지 않은 밀리미터에서 마이크로미터 주파수 대역에서 수천 개의 전파 소스의 스펙트럼 에너지 분포(SED)를 측정하여 중요한 관측적 간극을 메울 것이다.
• eROSITA 및 Euclid 조사와 융합함으로써 X선 및 SZ 기반 은하단 천체물리학의 교차 캘리브레이션, 은하단 질량 및 온도 추정 향상, 더 흐린 구조의 스택드 X선 분석이 가능해진다.