[論文レビュー] CMBPol Mission Concept Study: Reionization Science with the Cosmic Microwave Background

Matías Zaldarriaga, L. P. L. Colombo+7 more|ArXiv.org|Nov 24, 2008

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 26被引用数 11

ひとこと要約

本稿は、将来のミッション（例：CMBPol）からの大規模な宇宙マイクロ波背景（CMB）偏光測定が、再電離時代（EoR）を最も感受性の高いプローブとして提供することを提案している。これにより、再電離の電離歴、タイミング、期間、赤方偏移の進化に関する高精度な制約が得られる。本稿は、CMB偏光が再電離歴全体を統合的に反映し、他のプローブでは到達できない高赤方偏移での電離過程に独自にアクセスできることを示している。

ABSTRACT

We summarize existing constraints on the epoch of reionization and discuss the observational probes that are sensitive to the process. We focus on the role large scale polarization can play. Polarization probes the integrated optical depth across the entire epoch of reionization. Future missions such as Planck and CMBPol will greatly enhance our knowledge of the reionization history, allowing us to measure the time evolution of the ionization fraction. As large scale polarization probes high redshift activity, it can best constrain models where the Universe was fully or partially ionized at early times. In fact, large scale polarization could be our only probe of the highest redshifts.

研究の動機と目的

• 大規模CMB偏光が再電離時代（EoR）に及ぼす感受性、特に赤方偏移にわたる電離歴の制約について評価すること。
• CMBPol や Planck などの将来のミッションが、再電離の光学的厚さ、期間、赤方偏移の進化をどのように改善して制約できるかを評価すること。
• クェーサー分光、リプマンアルファ発光体、21cm測定といった他の観測プローブと比較して、CMB偏光が再電離制約に与えるパワーを評価すること。
• 再電離に関する知識の向上が、初期電離源を含むモデルにおける宇宙論的パラメータ推定に与える影響を定量化すること。
• 二次的非一様性および元素分かちの影響が、高赤方偏移での再電離を探るCMB測定にどのように寄与するかを検討すること。

提案手法

• 調査は、CMB偏光パワースペクトル（TT、EE、TE）のハーモニック空間における尤度解析を用い、ノイズバイアスモデルと宇宙分散の限界を組み込む。
• 全光学的厚さ τ_es は、赤方偏移にわたる電離分率の積分としてモデル化され、CMB偏光はこの統合量に感受性を示す。
• CMBパワースペクトルに基づく尤度関数を用い、機器感度（例：Planck や CMBPol）から導かれるノイズ寄与 N_l^TT および N_l^EE を考慮する。
• Planck（70、100、143 GHz）の多周波数データを組み合わせ、逆分散重み付けを用いて有効温度および偏光感度を計算する。
• CMBPol は l_max = 30 まで宇宙分散のみに制限され、機器ノイズはゼロであると仮定し、基本的感度限界を分離する。
• Fisherマトリックス予測を用いて、再電離歴の主要成分および物理的モデルに対するパラメータ不確実性を予測する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大規模CMB偏光は、再電離の光学的厚さおよび赤方偏移の進化をどの程度高精度に制約できるか？
• RQ2 CMB偏光は、初期と後期の再電離寄与に対してどの程度感受性を示し、高赤方偏移と低赤方偏移の電離源をどのように区別できるか？
• RQ3 CMBPol は、WMAP や Planck と比較して、再電離の期間とタイミングの制約をどの程度向上できるか？
• RQ4 再電離に関する知識の向上が、インフレーションやダークエネルギー関連の他の宇宙論的パラメータの精度にどのように影響するか？
• RQ5 CMB偏光は、他の手段では検出できない金属量の影響や再電離に起因する二次的非一様性を検出できるか？

主な発見

• CMBPol は光学的厚さ τ_es を1%未満の精度で測定でき、赤方偏移にわたる再電離歴の詳細な再構築が可能になる。
• 大規模CMB偏光は、他のプローブが感受性を示さない高赤方偏移（z > 10）での再電離開始を唯一直接探査できる。
• WMAP 5年分のデータは再電離赤方偏移を z_r = 11 ± 1.4 と制約しているが、将来的な CMBPol 測定により、その不確実性は1桁以上低減される。
• CMBPol は再電離の期間を約1つの赤方偏移チャンク（Δz ≈ 1）の範囲に制約でき、WMAP や Planck の現在の限界を著しく上回る。
• この手法により物理的モデルの区別が可能となり、CMBPol は偏光非一様性パターンを通じて、不均一な再電離と均一な再電離のシナリオを区別できる。
• EPIC 2m に類似したキャリブレーションを持つ目的特化実験では、z ≈ 12–22 で酸素含有量の変化を3–12%（2σ）、z ≈ 5.5–9 で窒素含有量の変化を60%（2σ）の精度で検出可能である。