[論文レビュー] ARCADE 2 Measurement of the Extra-Galactic Sky Temperature at 3-90 GHz

D. J. Fixsen, A. Kogut+9 more|arXiv (Cornell University)|Jan 5, 2009

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 18被引用数 132

ひとこと要約

ARCADE 2 は、3〜90 GHz の周波数帯域で、低温化された高圧空気気球搭載電波放射計を用い、現場での黒体基準器を用いた校正により、絶対的天球温度を高精度な微小電波測定で測定した。主な結果として、3.3 GHz における 50±7 mK の銀河間電波背景の上昇が観測され、これはスペクトル指数 −2.60±0.04 を持つ拡散的な銀河間電波背景が存在することを示しており、2.725±0.001 K のCMB温度に加えて存在するものである。

ABSTRACT

The ARCADE 2 instrument has measured the absolute temperature of the sky at frequencies 3, 8, 10, 30, and 90 GHz, using an open-aperture cryogenic instrument observing at balloon altitudes with no emissive windows between the beam-forming optics and the sky. An external blackbody calibrator provides an {\it in situ} reference. Systematic errors were greatly reduced by using differential radiometers and cooling all critical components to physical temperatures approximating the CMB temperature. A linear model is used to compare the output of each radiometer to a set of thermometers on the instrument. Small corrections are made for the residual emission from the flight train, balloon, atmosphere, and foreground Galactic emission. The ARCADE 2 data alone show an extragalactic rise of $50\pm7$ mK at 3.3 GHz in addition to a CMB temperature of $2.730\pm .004$ K. Combining the ARCADE 2 data with data from the literature shows a background power law spectrum of $T=1.26\pm 0.09$ [K] $(ν/ν_0)^{-2.60\pm 0.04}$ from 22 MHz to 10 GHz ($ν_0=1$ GHz) in addition to a CMB temperature of $2.725\pm .001$ K.

研究の動機と目的

• 3–90 GHz の周波数帯域で、系統的誤差を最小限に抑えて絶対的天球輝度温度を測定すること。
• 10 GHz 未満の周波数帯域で、CMB よりも高い拡散的銀河間電波背景を検出および特徴づけること。
• 以前に観測された電波過剰現象を説明できる、既知の銀河系の前景放射や機器的要因があるかどうかを検証すること。
• 高精度な微小電波測定を用いて、銀河間電波背景のスペクトル指数と振幅を制約すること。
• 系統的誤差を排除するために、独立したデータセットや前景モデルと照合して結果を検証すること。

提案手法

• ARCADE 2 の計器は、低温化されたオープンアパーチャー構造を採用し、7つのディッケスイッチ式電波放射計を 2–3.5 K に冷却することで、熱的系統的誤差を最小限に抑える。
• 各電波放射計は、天体と外部の黒体基準器を交互に測定する微小電波測定方式を採用し、機器のオフセットを相殺する。
• 反射率が −45 dB 未満の黒体基準器を現場での基準として用い、絶対的天球温度測定のための転送基準を確立する。
• 基準器に埋め込まれた温度計（全24個）により、1 mK の精度で温度勾配をモニタリングし、熱的非一様性の補正が可能となる。
• 飛行機器、気球、大気、銀河系前景からの残存放射に対して、線形キャリブレーションモデルを用いて系統的補正を施す。
• データは文献の結果（例：FIRAS）と組み合わせられ、銀河間背景のべき乗則スペクトルをフィットするための連合尤度解析が実施される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 10 GHz 未満の周波数帯域で、CMB や銀河系放射よりも高い拡散的銀河間電波背景が検出可能か？
• RQ2 観測された 3.3 GHz の過剰信号は、黒体基準器内の熱的勾配といった機器的系統的誤差によって説明可能か？
• RQ3 銀河間電波背景のスペクトル指数と振幅は何か？ また、理論的モデルと比較するとどうなるか？
• RQ4 既知の銀河系前景（例：地球の放射帯からのシンクロtron放射、銀河のハロー）が、観測された信号の原因であるか？
• RQ5 独立したデータセットや分析手法（例：C ii の相関、Hα、ダスト放射）は、拡散的銀河間電波背景の存在を支持するか？

主な発見

• ARCADE 2 は、CMB 温度 2.730±0.004 K よりも高い 3.3 GHz における 50±7 mK の銀河間天球温度上昇を測定した。
• FIRAS や文献データと組み合わせた結果、銀河間電波背景は 22 MHz から 10 GHz の範囲で、T = 1.26±0.09 K × (ν/1 GHz)^−2.60±0.04 のべき乗則スペクトルに従うことが判明した。
• CMB 温度は 2.725±0.001 K と測定され、FIRAS や他の高精度測定と整合的である。
• 銀河の極方向における銀河間電波背景は、銀河系放射の 2〜3 倍明るく、主に銀河間起源であると示唆される。
• 熱的勾配のモニタリングや独立した調査との比較による系統的誤差の検証により、主要な機器的または前景汚染は排除された。
• C ii や Hα、ダスト放射といった独立したデータセットとの間に、異なる銀河系前景を考慮しても背景の振幅が一致しており、銀河間起源の信頼性が裏付けられた。