[论文解读] The QUIJOTE CMB Experiment: status and first results with the multi-frequency instrument

M. López-Caniego, R. Rébolo+50 more|arXiv (Cornell University)|Jan 19, 2014

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 4被引用 9

一句话总结

QUIJOTE CMB 实验自2012年起在特内里费天文台运行，使用多频段仪器（10–20 GHz）对北天18,000平方度区域的宇宙微波背景（CMB）偏振进行测绘，11–19 GHz频段的灵敏度达到约14 μK/beam。该实验计划在三年观测后检测到张量-标量比 r > 0.05 的原初B模偏振，为检验暴胀模型和表征银河系前景提供关键数据。

ABSTRACT

The QUIJOTE (Q-U-I JOint Tenerife) CMB Experiment is designed to observe the polarization of the Cosmic Microwave Background and other Galactic and extragalactic signals at medium and large angular scales in the frequency range of 10-40 GHz. The first of the two QUIJOTE telescopes and the multi-frequency (10-20 GHz) instrument have been in operation since November 2012. In 2014 a second telescope and a new instrument at 30GHz will be ready for commissioning, and an additional instrument at 40 GHz is in its final design stages. After three years of effective observations, the data obtained by these telescopes and instruments will have the required sensitivity to detect a primordial gravitational-wave component if the tensor-to-scalar ratio is larger than r = 0.05. At the moment, we have completed half of the wide Galactic survey with the multi-frequency instrument covering 18 000 square degrees of the Northern hemisphere. When we finish this survey in early 2014, we shall have reached approximately 14μK per one degree beam at 11, 13, 17 and 19 GHz, in both Q and U.

研究动机与目标

• 在10–40 GHz频段测量宇宙微波背景（CMB）在中大尺度的偏振，以检验暴胀模型。
• 通过B模偏振信号检测原初引力波，其强度由张量-标量比 r 衡量。
• 表征银河系及河外前景发射，包括同步辐射、异常微波发射以及偏振源。
• 通过提供高灵敏度、度量级的偏振图，与普朗克卫星数据互补，以改进光谱指数和磁场研究。
• 通过高保真度CMB偏振图实现引力透镜重建和暗能量参数估计。

提出的方法

• 实验在特内里费天文台使用两台专用望远镜（QT1 和 QT2），每台均配备针对特定频率的偏振计仪器。
• 多频段仪器（MFI）在11、13、17和19 GHz频段工作，每个频段配备2×2喇叭馈电，波束半高全宽（FWHM）为0.92°至0.60°。
• 30 GHz仪器（TGI）和40 GHz仪器（FGI）正在开发中，用于第二阶段，分别配备31个和40个偏振计。
• 所有频段的系统温度（Tsys）保持在约25 K，确保热噪声低，实现高灵敏度测量。
• 数据经处理生成斯托克斯Q和U图，支持E模和B模偏振的角功率谱计算。
• 应用前景清洁技术以分离原初B模信号，模拟假设残余污染可忽略。

实验结果

研究问题

• RQ1 在三年积分后，QUIJOTE实验能否检测到张量-标量比 r > 0.05 的原初B模信号？
• RQ2 MFI仪器在11–19 GHz频段、18,000平方度区域对银河系偏振发射的灵敏度如何？
• RQ3 与普朗克相比，QUIJOTE图在表征同步辐射光谱指数和异常微波发射方面有何改进？
• RQ4 QUIJOTE与普朗克数据的结合在多大程度上可约束大尺度银河系磁场结构？
• RQ5 实验能否以高显著性检测到北天极光臂、银河晕或冷点的偏振信号？

主要发现

• 三年有效观测后，QUIJOTE将在北天18,000平方度区域、11、13、17和19 GHz频段实现约14 μK/beam的灵敏度。
• MFI仪器已完成宽银道面巡天的一半，覆盖18,000平方度，11–19 GHz频段噪声水平约为14 μK/beam。
• 30 GHz的TGI仪器预计在一年积分后实现约0.5 μK/beam的噪声水平，可检测张量-标量比 r = 0.1 的原初B模信号。
• 第二阶段实验（30 GHz与40 GHz仪器同时运行）将在三年数据后达到检测 r = 0.05 的灵敏度阈值。
• QUIJOTE图将与普朗克数据形成独特互补，实现同步辐射光谱指数和曲率的高精度测量，并约束宇宙射线电子物理。
• 实验可研究英仙座方向的偏振异常微波发射及银河晕，分别进行了150小时和160小时的专项观测。