[論文レビュー] Cosmological Results from Five Years of 30 GHz CMB Intensity Measurements with the Cosmic Background Imager

Jonathan Sievers, Mason, B. S.+20 more|ArXiv.org|Jan 28, 2009

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 28

ひとこと要約

本論文は、5年間の宇宙背景干渉計（CBI）観測から得られた30 GHz帯の全強度CMBパワースペクトルの最終結果を提示し、減衰尾部における感度を2倍に向上させた。高多重度（ℓ > 1800）で3σの過剰なパワーが検出されたが、これは既知の前景源や機器系の系誤差では説明できない。太陽ヤコブ・ゼルディッチ効果（Sunyaev-Zel’dovich effect）によるものである可能性が最も高いが、現在のSZテンプレートではσ₈の値が一貫しない。これはさらなる理論的検討の必要性を示唆している。

ABSTRACT

We present final results on the angular power spectrum of total intensity anisotropies in the CMB from the CBI. Our analysis includes all primordial anisotropy data collected between January 2000 and April 2005, and benefits significantly from an improved maximum likelihood analysis pipeline. It also includes results from a 30 GHz foreground survey conducted with the Green Bank Telescope (GBT) which places significant constraints on the possible contamination due to foreground point sources. We improve on previous CBI results by about a factor of two in the damping tail. These data confirm, at ~3-sigma, the existence of an excess of power over intrinsic CMB anisotropy on small angular scales (l > 1800). Using the GBT survey, we find currently known radio source populations are not capable of generating the power; a new population of faint sources with steeply rising spectral indices would be required to explain the excess with sources... We also present a full cosmological parameter analysis of the new CBI power spectrum... With CBI alone, the full parameter analysis finds the excess is 1.6-sigma above the level expected for a sigma_8=0.8 universe. We find the addition of high-l CMB data substantially improves constraints on cosmic string contributions to the TT power spectrum as well as the running of the scalar spectral index... We also present forecasts for what other experiments should see at different frequencies and angular resolutions given the excess power observed by CBI. We find that the reported high-l bandpowers from current high resolution CMB bolometer experiments are consistent with each other and CBI if the excess power is due to the SZE at the CBI-level of 2.5 +/- 1 times the sigma_8=0.8 standard SZ template.

研究の動機と目的

• 従来のCBI結果よりも感度を向上させ、30 GHz帯における宇宙マイクロ波背景（CMB）の全強度角パワースペクトルを測定すること。
• 過去のCBIデータで観測された高多重度（ℓ > 1800）における過剰パワー信号の起源を調査すること。
• WMAP5およびACBARと組み合わせた高ℓ CMBデータを用いて、σ₈およびスカラースペクトル指数の走化（running）を含む宇宙論的パラメータを制約すること。
• 二次的非均一性、特に太陽ヤコブ・ゼルディッチ効果（SZE）の寄与を評価し、現在のSZEテンプレートが観測された過剰と整合するかを検証すること。
• 異なる周波数および空間分解能における予想される信号レベルを予測し、既存の高分解能CMB実験と比較すること。

提案手法

• 5年間のCBI 30 GHz全強度データに対して、改良されたキャリブレーションと系誤差モデルを組み込んだ最大尤度解析を実施した。
• CBIデータとグリーン・バック・テレスコープ（GBT）の30 GHz前景調査データを組み合わせ、電波点源による汚染を制約した。
• 銀河団からのSZE信号を二次的非均一性成分として自己整合的に含む、包括的な宇宙論的パラメータ解析フレームワークを用いた。
• 2種類の異なるSZEテンプレート（コルモゴロフ・スミルノフ型SZE: KSSZ および SPSH型SZE: SPHSZ）をCBIパワースペクトルにフィットさせ、整合性とパラメータのデゲネラシーを検証した。
• マルコフ連鎖モンテカルロ（MCMC）サンプリングを用いて、σ₈、nₛ、n_run、および宇宙ひも強度といった宇宙論的パラメータのマージナル化尤度の等高線を導出した。
• 観測されたCBIの過剰信号に基づき、100 GHzおよび150 GHzにおける予想される信号レベルを予測し、ACBARおよびQUaDデータと比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 観測された高多重度（ℓ > 1800）における過剰パワーは、電波点源などの既知の天体物理的前景と整合するか？
• RQ2 機器の系誤差やキャリブレーション誤差がCBIパワースペクトルにおける高ℓ過剰を説明できるか？
• RQ3 高ℓ CMBデータの追加が、スカラースペクトル指数の走化（n_run）および宇宙ひもの寄与に対する制約をどの程度改善するか？
• RQ4 現在のSZEテンプレートは観測された過剰パワーを正確に記述しているか？それとも、CBIデータにフィットさせた場合にσ₈の値が一貫しないか？
• RQ5 他の実験（ACBAR、QUaD、BIMA）が報告する高ℓバンドパワーは、観測されたレベルのSZEに起因すると仮定した場合、CBIの過剰と整合的か？

主な発見

• CBI 5年間のパワースペクトルは、積分時間の増加と分析手法の洗練により、従来のCBI結果に比べて減衰尾部における感度が2倍向上した。
• 高多重度（ℓ > 1800）で3σの過剰パワーが検出されたが、これはGBI 30 GHz調査データを組み込んでも、既知の電波点源集団では説明できない。
• 広範な系誤差テストにより、高ℓ過剰は機器的要因によるものではなく、物理的起源であることが示された。
• 過剰パワーは銀河団からの太陽ヤコブ・ゼルディッチ効果（SZE）と整合的であるが、2種類の異なるSZEテンプレート（KSSZ および SPHSZ）を用いた解析では、σ₈の推定値に顕著な違いが生じ、理論的モデリングの改善が求められる。
• 高ℓ CMBデータの追加により、宇宙ひもの寄与およびスカラースペクトル指数の走化（n_run）に対する制約が著しく厳しくなったが、n_runは仮定されたSZE振幅に敏感であることが判明した。
• 予測によると、CBIの過剰がσ₈ = 0.8のテンプレートの2.5 ± 1倍のSZEに起因する場合、150 GHzおよび100 GHzでACBARおよびQUaDデータと整合的である。一方、スペクトル指数が平坦な源ではデータと整合しない。