[論文レビュー] The Crab Nebula as a Calibrator for Wide-beam Cosmic Microwave Background Polarization Surveys

S. Masi, P. de Bernardis+6 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2021

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 68被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、CMB偏光計の広視野ビーム校正において、かすみたる偏光を持つ銀河系放射が顕著に校正を歪めることが示されている。r ∼ 0.001 のBモード信号を検出するために必要な1弧分未塔の校正精度を達成するためには、約20 µK_CMB arcminの精度で1.5°以上の半径をカバーする高精度な広域（≥1.5°半径）偏光マップが必要となる。

ABSTRACT

We analyze the effect of polarized diffuse emission in the calibration of wide-beam mm-wave polarimeters, when using the Crab Nebula as a reference source for both polarized brightness and polarization angle. We show that, for CMB polarization experiments aiming at detecting B-mode in a scenario with a tensor to scalar ratio $r \sim 0.001$, wide (a few degrees in diameter), precise ($\sigma_Q$ , $\sigma_U$ $\sim$ 20 $\mu$$K_{CMB}$ arcmin), high angular resolution ($< \mathrm{FWHM}$) reference maps are needed to properly take into account the effects of diffuse polarized emission and avoid significant bias in the calibration.

研究の動機と目的

• 校正源周辺の無視された拡散的偏光放射が広視野CMB偏光サーベイに及ぼす系誤差の課題に対処すること。
• 今後のCMB実験がr ∼ 0.001 のBモード信号を標的とする場合に、カブ星雲を偏光校正源として使用する可能性を評価すること。
• 広視野ビームにおける拡散的銀河系偏光放射の影響を、偏光角度および放射度測定に定量すること。
• 1弧分未塔の校正精度を達成するための参照マップの必要精度と空間的範囲を特定すること。
• ビーム応答の不確実性（特にサイドローブ誤差）が校正結果に与える感度を評価すること。

提案手法

• 広視野ビーム観測のシミュレーションに、HEALPix Nside=2048 の多周波数Planck Legacy ArchiveのストークスI, Q, Uマップを用いた。
• ガウスビーム近似（FWHM 69′から17′）を用いたビーム重み付き開口光度測定を実施し、LSPEおよびLiteBIRDサーベイを模擬した。
• 統合半径の関数として測定された偏光角度 ψm および偏光放射度 Pm を算出し、拡散放射による汚染度を評価した。
• 10,000回の無相関ガウスノイズ実現（1ピクセルあたりσ = 10 µK_CMB）を注入し、ψm および Pm の統計的不確実性を推定した。
• システム的ビーム誤差（立体角、FWHM、一次サイドローブ振幅）をシミュレートし、ψm および Pm の収束への影響を評価した。
• 式 (1) を用いて、偏光角度誤差 ∆α による角パワースペクトルの変換をモデル化し、校正バイアスと関連づけた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 広視野CMBサーベイでカブ星雲を校正源として使用する際、拡散的偏光銀河系放射が測定された偏光角度および放射度にどの程度バイアスを及えるか？
• RQ2 拡散的前景からの汚染を軽減するための参照マップに必要な空間的範囲と角分解能は何か？
• RQ3 r ∼ 0.001 のBモードパワースペクトル測定で顕著なバイアスを避けるために、偏光角度校正がどの程度の精度である必要があるか？
• RQ4 1弧分未塔の校正精度を達成するにあたり、ビーム応答の不確実性（例：FWHM、サイドローブ振幅）の許容可能なレベルは何か？
• RQ5 広視野ビームで拡散放射が信号を支配する場合、カブ星雲は依然として有効な校正源として利用可能か？

主な発見

• 半径0.5°を超えて統合すると、拡散的偏光放射による汚染のため、測定された偏光角度 ψm および偏光放射度 Pm は、カブ星雲固有の信号とは異なる値に収束する。
• LSPE-SWIPE 210 GHzチャネルでは、大半の半径で拡散ダスト放射が支配的となり、ψm に約1°の大きな角度オフセットを引き起こす。
• 高周波数（例：337 GHz）でも、拡散的前景寄与が ψm に |ψm − ψCN| ∼1° のバイアスをもたらすことが示され、継続的な汚染が確認された。
• 1弧分未塔の校正精度（r ∼ 0.001 を要請）を達成するためには、カブ星雲の周囲少なくとも1.5°の範囲をカバーし、約20 µK_CMB arcminの精度を持つ参照マップが必要である。
• ψm の統計的不確実性は40 GHzでは1弧分未塔、高周波数では3弧分未塔未塔であり、マップの深さと精度に厳しい要件が課される。
• ビームFWHMが1%変化するとψmに約1弧分のシフトが生じ、標準的なビーム測定で十分であることが示されたが、10%のサイドローブ振幅誤差は337 GHzでのみψmに1弧分以上の影響を及ぼし、高精度なサイドローブ特徴の必要性を強調した。