[論文レビュー] Power asymmetry in CMB polarization maps from PLANCK : a local variance analysis

Pavan K. Aluri, Arman Shafieloo|arXiv (Cornell University)|Oct 2, 2017

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、Planck 2015 CMB偏光マップにおける半球的パワー非対称性を、低解像度のEモードマップに対して局所分散推定器を用いて調査した。広いスケールにおいて2.6–3.9%の顕著なダイポール型パワー非対称性が検出され、そのダイポール方向はCMB運動的ダイポールと一致しており、系統的効果または統計的等方性を越える新しい物理の可能性を示唆している。

ABSTRACT

A persistent signal of power asymmetry on opposite hemispheres of CMB sky was seen in full-sky temperature measurements made so far. This asymmetry was seen in microwave sky from WMAP as well as PLANCK satellites, and calls for attention the larger question of \\emph{statistical isotropy}, one of the foundational principles of modern cosmology. In this work we present an analysis of polarized CMB maps from PLANCK 2015 full mission data. We apply the local variance estimator on low resolution $E-$mode maps from PLANCK 2015 polarization \ exttt{Commander} solution. We find a significant hemispherical power asymmetry in polarization data on large angular scales, at the level of $\\sim 2.6-3.9\\%$ depending on the galactic mask, and the circular disc radius used for computing local variance maps. However the direction is found to be pointing broadly towards CMB kinetic dipole direction. Precise measurements of CMB polarization in future will shed light on this apparent discrepancy in the anisotropy axis seen in temperature and polarized CMB sky, and likely influence of systematics on our findings.

研究の動機と目的

• CMB温度マップで既に観測された半球的パワー非対称性（HPA）が、Planck 2015偏光データに存在するかどうかを調査すること。
• さまざまなスケールとマスクを用いた局所分散推定を用いて、Eモード偏光におけるHPA検出の頑健性をテストすること。
• 非対称性の方向がCMB運動的ダイポールと一致するかどうかを評価することにより、系統的効果または新しい物理の兆候を特定すること。
• P空間（P²=Q²+U²）とE空間のマスクの違いが、局所分散ダイポール検出に与える影響を評価すること。
• 多極子l=[20,240]、[60,240]、[100,240]における非対称性のスケール依存性を検討すること。

提案手法

• Planck 2015 Commander成分分離偏光解法の低解像度Eモードマップ（N_side=256、FWHM=40'）に、局所分散推定器（LVE）を適用した。
• 120'の円形領域を用いて、天の上でのパワーの空間的変動を推定するための局所分散マップを計算した。
• 得られた局所分散マップにダイポールをフィットさせ、パワー非対称性の振幅と方向を定量的に評価した。
• 複数の銀河マスク（mask080E、mask085E、Pマスク）を用いて、結果の頑健性をテストし、マスク選択の影響を評価した。
• Eモードマップを3つの多極子範囲にフィルタリングして、非対称性振幅のスケール依存性をテストした。
• 公に提供されているノイズシミュレーションを修正し、シミュレーションとデータの間のノイズレベルの既知の乖離にもかかわらず、統計的有意性を計算した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Planck 2015 CMB Eモード偏光マップにおいて、広いスケールで顕著な半球的パワー非対称性が存在するか？
• RQ2 検出された非対称性の方向は、CMB運動的ダイポール方向と一致するか？
• RQ3 マスクの選択（P空間対E空間）に応じて、非対称性の振幅はどのように変化するか？
• RQ4 非対称性は、多極子範囲l=[20,240]、[60,240]、[100,240]においてスケール依存性を示すか？
• RQ5 観測された非対称性は系統的効果に起因するものか、それともCMB偏光場における統計的等方性の破れを示唆するか？

主な発見

• 広いスケール（l=[20,240]）において、Planck 2015 Eモード偏光マップで2.6–3.9%の顕著な半球的パワー非対称性が検出された。
• 局所分散マップから得られたダイポール方向（mask080Eでは253.7°, 40.2°、mask085Eでは266.8°, 40.8°）は、CMB運動的ダイポール方向と非常に近接しており、角度差はそれぞれ10.7°および7.5°であった。
• 両方のE空間マスクにおいて、ダイポール振幅の有意水準はp < 0.001であり、広いスケールでの検出に高い統計的信頼性があることを示した。
• より小さなスケール（l=[100,240]）では、ダイポール振幅が顕著に減少し、p値が約0.2に上昇したため、非対称性のスケール依存性が示された。
• E空間マスク（Eモードに基づく）は、P空間マスクよりも一貫性があり、CMBダイポールとよりよく一致するダイポール方向を示した。これは、PマスクがEモード解析には最適でない可能性を示唆している。
• 結果から、Planck偏光データにおける広いスケールでの系統的効果が、観測された非対称性に影響を与えている可能性があり、今後の高精度な偏光測定による検証が不可欠であると示唆された。