[論文レビュー] Study of the Experimental Probe of Inflationary Cosmology (EPIC)-Intemediate Mission for NASA's Einstein Inflation Probe

James J. Bock, A. Aljabri+36 more|ArXiv.org|Jun 5, 2009

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 13被引用数 54

ひとこと要約

本論文では、初期宇宙の重力波をBモード偏光を通じて検出することを目的とした、中規模の開口部を備えた宇宙背景放射（CMB）偏光観測機器であるEPIC-Intermediate Mission（EPIC-IM）を提案する。大規模な焦点面、高度な光学系、および4K冷却器を組み合わせることで、従来の概念を上回る感度を達成し、インフレーション期のBモード、レンズ効果によるBモード、および全天の偏光を持つ銀河系ダストの精密測定が可能になる。

ABSTRACT

Measurements of Cosmic Microwave Background (CMB) anisotropy have served as the best experimental probe of the early universe to date. The inflationary paradigm, inspired in part by the extreme isotropy of the CMB, is now a cornerstone in modern cosmology. Inflation has passed a series of rigorous experimental tests, but we still do not understand the physical mechanism or energy scale behind inflation. A general prediction of inflation and one that can provide certain insights into inflationary physics is a background of primordial gravitational waves. These perturbations leave a distinct signature in the CMB B-modes of polarization. The EPIC (Experimental Probe of Inflationary Cosmology) study team has investigated several CMB polarization mission concepts to carry out a definitive measurement of the inflationary B-mode polarization spectrum. In this report we study a mission with an aperture intermediate between the two missions discussed in our previous report. EPIC-IM's increased aperture allows access to a broader science case than the small EPIC-Low Cost mission. In addition to the search for inflationary gravitational waves, the increase aperture allows us to mine the scale polarization and lensing shear polarization signals down to cosmological limits, so that we extract virtually all the cosmological information available from the CMB. In addition, a modest number of channels operating at higher frequencies allows for an all-sky measurement of polarized Galactic dust, which will provide a rich dataset for Galactic science related to magnetic fields. Using a combination of a large sensitivity focal plane with a new optical design, and an efficient 4K mechanical cooler, EPIC-IM realizes higher sensitivity than EPIC-Comprehensive Science mission.

研究の動機と目的

• 低予算ミッションと包括的科学ミッションの中間の開口部サイズを有するCMB偏光ミッションを開発し、科学的成果を最適化する。
• インフレーション期のBモード偏光の明確な検出を可能にし、原始的重力波の主要な指標を特定する。
• すべてのスケールにわたるCMB偏光から宇宙論的情報を抽出し、宇宙論的限界に達するまでレンズ効果によるBモード信号を含む。
• 銀河系ダストの偏光放射を全天にわたって調査し、星間磁場およびダスト粒子の性質に関する知見を得る。
• 高度な機器と熱管理を用いることで、過去のミッション概念を上回る感度を達成する。

提案手法

• 低予算ミッションよりは大きく、包括的科学ミッションよりは小さい中規模の開口部を備えた宇宙望遠鏡の設計により、コストと性能のバランスを図る。
• ミリ波帯の偏光測定を目的とした、数千個の遷移エッジセンサーボロメータを備えた大規模で高感度の焦点面を実装する。
• サブミリ波放射を効率的に集光・焦点化する新しい光学設計を統合し、クロストークは低く、透過率は高い。
• 検出器の温度を100 mK未満に保つために、4Kの機械的冷媒を活用し、検出器の最適な性能を維持する。
• CMB信号と銀河系ダストの前景を分離できるよう、高周波数帯も含む複数の周波数帯で運用する。
• 高角分解能でCMB偏光（EモードおよびBモード）と偏光を持つダスト放射を、全天を網羅的にマッピングする調査を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中規模のCMB偏光ミッションは、宇宙インフレーション理論が予測するインフレーション期Bモード信号を検出するのに十分な感度を達成できるか？
• RQ2 レンズ効果によるBモード信号はどの程度正確に測定可能か？これにより、ニュートリノ質量の合計やダークエネルギーといった宇宙論的パラメータがどの程度制約されるか？
• RQ3 偏光を持つ銀河系ダスト放射は、どの程度の精度で全天にわたってマッピング可能か？これにより、星間磁場モデルやダスト粒子の配列に関する知見が得られるか？
• RQ4 開口部サイズ、焦点面スケール、周波数カバレッジの最適なバランスは何か？これにより、CMB偏光から得られる宇宙論的情報を最大限に引き出すことができるか？
• RQ5 高度な光学系と4K冷却器の組み合わせにより、コスト制約を超えない範囲で、過去のミッション概念を上回る感度を達成できるか？

主な発見

• EPIC-IMは、最適化された機器設計と熱管理により、EPIC-包括的科学ミッションを上回る感度を達成する。
• CMB信号と宇宙論的ゆらぎ、および天体的前景からの区別が可能な十分な信号対雑音比を有するインフレーション期Bモード信号の検出が可能になる。
• 偏光ダストの全天調査は、銀河系磁場およびダストの性質を全天にわたって研究する高精度なデータセットを提供する。
• レンズ効果によるBモード信号は、宇宙論的限界まで測定可能であり、CMB偏光から得られるほぼすべての宇宙論的情報が抽出可能になる。
• 中規模の開口部サイズにより、低予算ミッションよりも広い科学的応用が可能であり、包括的科学ミッションよりもコスト効率が良い。
• 大規模な焦点面と4Kの機械的冷却器の統合により、ミッション期間中を通じて安定した低雑音動作が実現され、長期間のCMB観測にとって不可欠である。