[论文解读] A Space Mission to Map the Entire Observable Universe using the CMB as a Backlight

Kaustuv Basu, M. Remazeilles+23 more|arXiv (Cornell University)|Sep 4, 2019

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 12被引用 3

一句话总结

本文提出了BACKLIGHT任务，这是一项基于空间的天文台任务，利用宇宙微波背景辐射（CMB）作为背光源，绘制整个可观测宇宙的图像。通过测量引力透镜效应以及多种太阳亚诺维奇-泽尔多维奇效应（tSZ、kSZ、pSZ、rSZ），它将以高灵敏度和角分辨率追踪暗物质、重子物质和宇宙速度场，从而实现对宇宙演化过程中质量、气体和恒星成分的首次完整普查。

ABSTRACT

This Science White Paper, prepared in response to the ESA Voyage 2050 call for long-term mission planning, aims to describe the various science possibilities that can be realized with an L-class space observatory that is dedicated to the study of the interactions of cosmic microwave background (CMB) photons with the cosmic web. Our aim is specifically to use the CMB as a backlight -- and survey the gas, total mass, and stellar content of the entire observable Universe by means of analyzing the spatial and spectral distortions imprinted on it. These distortions result from two major processes that impact on CMB photons: scattering by electrons (Sunyaev-Zeldovich effect in diverse forms, Rayleigh scattering, resonant scattering) and deflection by gravitational potential (lensing effect). Even though the list of topics collected in this White Paper is not exhaustive, it helps to illustrate the exceptional diversity of major scientific questions that can be addressed by a space mission that will reach an angular resolution of 1.5 arcmin (goal 1 arcmin), have an average sensitivity better than 1 uK-arcmin, and span the microwave frequency range from roughly 50 GHz to 1 THz. The current paper also highlights the synergy of our BACKLIGHT mission concept with several upcoming and proposed ground-based CMB experiments.

研究动机与目标

• 实现对整个可观测宇宙中质量、气体和恒星成分的完整普查。
• 研究重子物质的分布与物理状态，包括其从原初气体演化为恒星的过程。
• 检验暗能量、暗物质的本质以及广义相对论在宇宙尺度上可能存在的偏离。
• 首次在大尺度上通过运动学效应和移动透镜效应测量宇宙速度场。
• 通过结合CMB强引力透镜效应与多频段SZ信号及透镜校准，实现精确宇宙学研究。

提出的方法

• 使用口径3–6米的低温空间望远镜，在50 GHz至1 THz波段运行，以实现高动态范围和光谱分辨率。
• 设置至少20个频段，以区分tSZ、kSZ、pSZ、rSZ、非热SZ及前景辐射。
• 在100–250 GHz频段实现平均灵敏度约0.1 µK-arcmin，以探测丝状结构和低质量晕中的微弱信号。
• 采用具有偏振敏感性的成像技术，探测偏振SZ效应，并监测CMB强引力透镜测量中的系统误差。
• 结合空间观测与地面CMB-S4巡天，提升300 GHz以下频段的深度与角分辨率。
• 应用先进的信号分离技术，从多频段图像中提取弱引力透镜、运动学及相对论性SZ效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 从星系团到丝状结构，暗物质与重子物质在整个宇宙网中的完整分布是怎样的？
• RQ2 重子物质如何从原初气体演化为恒星？宇宙射线反馈的能量预算如何？
• RQ3 在kSZ功率谱中，原初非高斯性的特征表现为何种信号？
• RQ4 广义相对论在大尺度结构的引力透镜与速度场中出现偏离时，其表现形式是什么？
• RQ5 暗能量的本质及其状态方程在宇宙演化过程中如何精确确定？

主要发现

• 该任务在100–250 GHz频段可实现约0.1 µK-arcmin的灵敏度，足以探测低质量晕（M ~5×10^13 M⊙）的tSZ与kSZ信号。
• 在300 GHz频段需达到1′至1.5′的角分辨率，以解析星系团尺度的晕结构，并与地面巡天相匹配。
• 该任务可独立实现所有核心科学目标，但与CMB-S4协同可进一步提升深度与角分辨率。
• 偏振敏感性可实现pSZ探测并校准引力透镜信号，从而降低质量测量中的系统误差。
• 在50–1000 GHz频段的多频段观测可实现SZ、尘埃与恒星形成背景（CIB）信号的完全分离，支持精确的谱谱能量分布建模。
• 该任务将首次通过kSZ与移动透镜效应提供全天区、高保真度的宇宙速度场图，从而实现对宇宙尺度引力理论的精确检验。