[論文レビュー] COrE (Cosmic Origins Explorer) A White Paper

The COrE Collaboration, C. Armitage-Caplan+73 more|arXiv (Cornell University)|Feb 10, 2011

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 108被引用数 121

ひとこと要約

COrE（Cosmic Origins Explorer）は、45 GHz から 795 GHz の15の周波数バンドで全ミリ波電波天の川をマッピングする第四世代の宇宙ミッションとして提案されており、Planck よりも10–30倍高い感度と空間分解能を備える。COrE は r ≥ 10⁻³ の原始的重力波を 3σ 以上の有意水準で検出することを目的とし、CMB のレンズ効果を宇宙分散の限界まで測定し、インフレーション、ニュートリノ質量、非ガウス性、銀河系磁場分野における画期的な科学的進展を、高精度な偏光ミリ波観測によって実現する。

ABSTRACT

COrE (Cosmic Origins Explorer) is a fourth-generation full-sky, microwave-band satellite recently proposed to ESA within Cosmic Vision 2015-2025. COrE will provide maps of the microwave sky in polarization and temperature in 15 frequency bands, ranging from 45 GHz to 795 GHz, with an angular resolution ranging from 23 arcmin (45 GHz) and 1.3 arcmin (795 GHz) and sensitivities roughly 10 to 30 times better than PLANCK (depending on the frequency channel). The COrE mission will lead to breakthrough science in a wide range of areas, ranging from primordial cosmology to galactic and extragalactic science. COrE is designed to detect the primordial gravitational waves generated during the epoch of cosmic inflation at more than $3σ$ for $r=(T/S)>=10^{-3}$. It will also measure the CMB gravitational lensing deflection power spectrum to the cosmic variance limit on all linear scales, allowing us to probe absolute neutrino masses better than laboratory experiments and down to plausible values suggested by the neutrino oscillation data. COrE will also search for primordial non-Gaussianity with significant improvements over Planck in its ability to constrain the shape (and amplitude) of non-Gaussianity. In the areas of galactic and extragalactic science, in its highest frequency channels COrE will provide maps of the galactic polarized dust emission allowing us to map the galactic magnetic field in areas of diffuse emission not otherwise accessible to probe the initial conditions for star formation. COrE will also map the galactic synchrotron emission thirty times better than PLANCK. This White Paper reviews the COrE science program, our simulations on foreground subtraction, and the proposed instrumental configuration.

研究の動機と目的

• 高感度・高分解能のCMB偏光マップを用いて、宇宙インフレーションに起因する原始的重力波を高い有意水準で検出すること。
• すべての線形スケールで宇宙分散の限界までCMB重力レンズ効果の歪みパワー スペクトルを測定すること。
• n次関数の形状と振幅に対する感度を向上させ、原始的非ガウス性を制約すること。
• 未だ他の調査ではカバーできない拡散領域における偏光ダスト放射およびシンクロtron放射を、画期的な分解能と感度でマッピングし、磁場および星形成を研究すること。
• 15の狭帯域周波数と高度なフィルタリング技術を用いて、フォアグラウンドの成分分離を実現し、信頼性の高い宇宙論的推論を可能にすること。

提案手法

• COrE は、45–795 GHz の周波数帯域をカバーする15の狭帯域を備えた宇宙望遠鏡を採用しており、天体フォアグラウンドの高精度分離を可能にする。
• ミッションは、偏光モジュレータと高感度ボロメトリック検出器を用いて、全天空にわたる温度および偏光を測定する。
• 内部線形結合（ILC）を含む、ネードルトベースの線形結合およびパラメトリックフィッティング手法を用いて、CMB と銀河系および外部銀河フォアグラウンドを分離する。
• システムティックスを最小限に抑えるために、冷却チェーンと低ノイズ読み出し回路を採用し、1μK未満のアームイン分解能を達成する。
• 空間分解能は、45 GHz で23アームインから795 GHz で1.3アームインまで変化し、CMB 検出チャンネルでは4.7–10アームインの分解能を達成する。
• システムティックエラーの制御は、正確なキャリブレーション、安定した光学系、およびデータストリームにおける加法的・乗法的エラーの低減によって実施される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 COrE は、フォアグラウンドの汚染があっても、r = 10⁻³ のテンソル対スカラー比を3σ以上で検出できるか？
• RQ2 COrE は、すべてのスケールで宇宙分散の限界までCMBレンズ効果歪みパワー スペクトルを測定できるか？
• RQ3 COrE は、Planck よりもどれほど高い精度で原始的非ガウス性の振幅と形状を制約できるか？
• RQ4 COrE は、他の調査ではカバーできない拡散領域における偏光ダスト放射を用いて銀河系磁場をマッピングできるか？
• RQ5 COrE は、遠赤外およびサブミリ波帯域における偏光および非偏光の外部銀河源に対してどれほど感度が高いか？

主な発見

• COrE は、r = 10⁻³ のテンソル対スカラー比を3σ以上で検出可能であり、これはインフレーションのエネルギー スケールが数×10¹⁵ GeV に相当する。
• ミッションは、すべての線形スケールで宇宙分散の限界までCMBレンズ効果歪みパワー スペクトルを測定し、ニュートリノ質量を0.1 eV未満に制約可能となる。
• COrE は、Planck よりも10–30倍高い感度で原始的非ガウス性を制約可能であり、広範な非ガウス形状の検出が可能となる。
• 最高周波数チャンネルでは、COrE は1.3アームイン分解能で銀河系ダスト偏光をマッピングし、拡散領域における銀河系磁場の詳細なマッピングが可能となる。
• COrE は、Planck LFI よりも30倍高い感度で銀河系シンクロtron放射をマッピングし、低周波数帯域でファラデー回転フリーの偏光マップを提供する。
• CMB チャンネルにおけるCOrE の感度は約4.5 μK アームインであり、宇宙分散に制限されるが、これまでで最も高精度のレンズ再構成が可能となる。