[論文レビュー] CMB-HD: Astro2020 RFI Response

Neelima Sehgal, Simone Aiola+46 more|arXiv (Cornell University)|Feb 28, 2020

Radio Astronomy Observations and Technology参考文献 67被引用数 14

ひとこと要約

CMB-HDは、チリのセルロ・トコに位置する2台の30メートル級非軸対称クロス・ドラゴネ望遠鏡を用い、2万平方度にわたる空域に対して7.5年間、超高感度・高解像度のミリ波電波サーベイを実施する。160万個の偏光感受性TESボロメータを搭載し、150 GHzで0.5 μK-arcminのノイズと15秒角の解像度を達成する。このサーベイにより、重力レンズ効果、サニヤエフ＝ツェルドビッチ効果、ダークマターの探査、および一時的天体の監視を通じて、宇宙論、素粒子物理学、天体物理学分野における画期的進展が期待される。

ABSTRACT

CMB-HD is a proposed ultra-deep (0.5 uk-arcmin), high-resolution (15 arcseconds) millimeter-wave survey over half the sky that would answer many outstanding questions in both fundamental physics of the Universe and astrophysics. This survey would be delivered in 7.5 years of observing 20,000 square degrees, using two new 30-meter-class off-axis cross-Dragone telescopes to be located at Cerro Toco in the Atacama Desert. Each telescope would field 800,000 detectors (200,000 pixels), for a total of 1.6 million detectors.

研究の動機と目的

• 宇宙マイクロ波背景放射の高解像度重力レンズ効果を通じて、ダークマターの小スケール分布とその粒子的性質の制約を進める。
• 熱的および運動的サニヤエフ＝ツェルドビッチ効果をマップすることで、宇宙の歴史を通じたガスの密度および圧力プロファイル、およびハローの進化を調べる。
• 0.1 eV未満の軽い熱的粒子、原始的磁場、多スカラーインフレーションモデルの存在を検出または否定することで、素粒子物理学の検証を実施する。
• 頻繁な再観測を実施することで、ガンマ線バースト、フレッシュ・ラジオ・バースト、変動するAGNを含む、一時的天体の監視を可能にする。
• 海王星外天体の包括的カウントと、系外オールト雲の検出を通じて、惑星形成および太陽系の進化を研究する。

提案手法

• アタカマ砂漠のセルロ・トコに、ミリ波観測に最適化された2台の30メートル級非軸対称クロス・ドラゴネ望遠鏡を設置する。
• 各望遠鏡に、30–350 GHzで動作する80万個のTESボロメータ（20万ピクセル）を搭載し、30/40、90/150、220/280 GHz帯で二重屈折・偏光感受性の応答を実現する。
• 30メートル級主鏡の熱的変形を補正するためのレーザー干渉計測定システムを導入する。
• 高度な焦点面パッケージ技術と低損失シリコン光学素子を採用し、検出器効率を最大化するとともに、光学的クロストークを低減する。
• 100 mKまで冷却する冷温タンクシステムを統合し、検出器性能を維持する。この技術は、シモンズ観測所の大口径望遠鏡を用いて実証済みである。
• SOおよびCMB-S4から得られる既存の検出器および読み出し技術を活用し、将来的にコストと複雑さを低減するためMKID検出器への移行を検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 サブ・アーカンタ秒スケールでのCMBの重力レンズ効果は、ダークマターの小スケール分布を明らかにし、その粒子的性質を制約できるか？
• RQ2 熱的および運動的サニヤエフ＝ツェルドビッチ効果は、宇宙の歴史を通じて銀河団およびハローのガス密度および圧力プロファイルをどの程度正確にマップできるか？
• RQ3 CMB-HDは、ダークマターを構成する可能性がある、0.1 eV未満の新しい軽い熱的粒子の存在を検出または否定できるか？
• RQ4 CMB-HDは、多スカラーインフレーションモデルおよび銀河磁場の原始的起源に関する制約をどの程度強化できるか？
• RQ5 CMB-HDは、ミリ波放射を通じて系外オールト雲および海王星外天体を検出・特徴付けられるか？

主な発見

• CMB-HDは、150 GHzで0.5 μK-arcminの感度と15秒角の解像度を達成し、k ~ 10 h Mpc⁻¹のスケールでCMBの重力レンズ効果を画期的な解像度でマッピング可能となる。
• 2台の望遠鏡に合計160万個の検出器が搭載され、1台あたり80万個（80万個のTESボロメータ）が使用される。この技術はSOおよびCMB-S4から実証済みの成熟したTESボロメータ技術を基盤としている。
• プロジェクトの総予算は10億2200万ドル（米国のみ）を推定し、その内訳は望遠鏡に4億ドル、受信機に1億ドル、検出器および読み出し回路に3億2000万ドル、プロジェクト管理に1億ドル（10年間）である。
• MKID技術がミリ波帯域でTESと同等の感度を達成した場合、検出器コストは3～4倍低減可能であり、TolTECおよびCCAT-primeを介した実機での飛行実証が進行中である。
• サーベイは数日ごとに2万平方度の全領域を監視するため、フレッシュ・ラジオ・バーストや変動するAGNなどの一時的現象の検出が可能となる。
• CMB-HDは、150 GHzで0.5 mJyの限界まで、半分の空域にわたって高赤方偏移のダストを含む星形成銀河およびAGNのカタログを作成し、公開データ配布を最優先事項とする。