[论文解读] A Measurement of Anisotropy in the Cosmic Microwave Background on 7-22 Arcminute Scales

E. M. Leitch, S. T. Myers+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 30, 1998

Radio Astronomy Observations and Technology参考文献 3被引用 5

一句话总结

本文利用欧文斯山谷射电天文台在14.5 GHz和31.7 GHz波段的观测数据，对7–22角分尺度上的宇宙微波背景（CMB）各向异性进行了高分辨率测量。通过多历元甚长基线阵列（VLA）数据去除点源污染后，作者分离出贡献了31.7 GHz频段方差88%的CMBR成分，得到均方根涨落幅度为82⁺¹².¹₋₉.¹ μK，与平坦宇宙学模型一致，并表明在l ~ 600至l ~ 2000之间CMB角功率谱出现下降。

ABSTRACT

We report a measurement of anisotropy in the cosmic microwave background radiation (CMBR) on 7-22 arcminute scales. Observations of 36 fields near the North Celestial Pole (NCP) were made at 31.7 and 14.5 GHz, using the 5.5-meter and 40-meter telescopes at the Owens Valley Radio Observatory (OVRO) from 1993 to 1996. Multi-epoch VLA observations at 8.5 and 15 GHz allow removal of discrete source contamination. After point-source subtraction, we detect significant structure, which we identify with emission from a combination of a steep-spectrum foreground and the CMBR. The foreground component is found to correlate with IRAS 100 micron dust emission. Lack of H-alpha emission near the NCP suggests that this foreground is either high-temperature thermal bremsstrahlung (T_e ~ 10^6 K), flat-spectrum synchrotron or an exotic component of dust emission. On the basis of low-frequency maps of the NCP, we can restrict the spectral index of the foreground to beta >= -2.2. Although the foreground signal dominates at 14.5 GHz, the extracted CMBR component contributes 88\% of the variance at 31.7 GHz, yielding an rms fluctuation amplitude of 82^{+12.1}_{-9.1} microKelvin, including 4.3% calibration uncertainty and 12% sample variance (68% confidence). The equivalent broadband amplitude is dT_{l_e} = 59^{+8.6}_{-6.5} microKelvin at l_e = 589. This measurement, when combined with small angular-scale upper limits obtained at the OVRO, indicates that the CMBR angular power spectrum decreases between l ~ 600 and l ~ 2000 and is consistent with flat cosmological models.

研究动机与目标

• 测量7–22角分尺度上的宇宙微波背景（CMB）各向异性。
• 将CMBR涨落与前景发射（特别是14.5 GHz和31.7 GHz频段）分离。
• 约束北天极附近前景发射的谱指数及其性质。
• 在高多极数（l ~ 600–2000）范围内改进对CMB角功率谱的约束。
• 利用高分辨率CMB数据检验与平坦宇宙学模型的一致性。

提出的方法

• 观测使用欧文斯山谷射电天文台（OVRO）的5.5米和40米射电望远镜，时间跨度为1993年至1996年。
• 利用甚长基线阵列（VLA）在8.5 GHz和15 GHz频段的多历元观测，识别并减去点源污染。
• 通过与IRAS 100微米尘埃发射的相关性，对前景发射进行建模，并评估其谱性和空间特性。
• 基于北天极低频图，将前景的谱指数约束为β ≥ -2.2。
• 通过减去前景和点源后的残差信号提取CMBR功率谱。
• 传播统计不确定性，包括4.3%的校准误差和12%的样本方差，以推导最终的CMBR涨落幅度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在7–22角分尺度上，宇宙微波背景（CMB）各向异性的幅度是多少？
• RQ2 在北天极附近14.5 GHz频段主导的前景发射的性质及其谱指数是什么？
• RQ3 在31.7 GHz频段观测到的信号中，有多少比例可归因于CMBR，又有多少来自前景？
• RQ4 CMB角功率谱在l ~ 600至l ~ 2000之间是否如平坦宇宙学模型所预测的那样出现下降？
• RQ5 观测到的前景发射能否由热轫致辐射、同步辐射或奇异尘埃发射解释？

主要发现

• 在减去点源和前景后，CMBR占31.7 GHz数据中方差的88%。
• 测得的CMBR均方根涨落幅度为82⁺¹².¹₋₉.¹ μK，包含68%置信度下的4.3%校准不确定性和12%样本方差。
• 等效宽带CMBR幅度为dT_{l_e} = 59⁺⁸.⁶₋⁶.⁵ μK，对应l_e = 589。
• 前景发射的谱指数被约束为β ≥ -2.2，排除了更陡谱的可能性。
• 前景发射与IRAS 100微米尘埃发射强烈相关，但未显示显著的H-alpha发射，表明其起源于非电离介质。
• CMB角功率谱在l ~ 600至l ~ 2000之间表现出下降趋势，与平坦宇宙学模型一致。