[论文解读] CMBPol Mission Concept Study: A Mission to Map our Origins

Daniel Baumann, Asantha Cooray+8 more|Oxford University Research Archive (ORA) (University of Oxford)|Nov 24, 2008

Radio Astronomy Observations and Technology被引用 17

一句话总结

CMBPol 提出了一项专用的卫星任务，旨在以前所未有的灵敏度和多频段覆盖度绘制宇宙微波背景（CMB）偏振图，从而实现对暴胀引力波引起的原初B模式偏振的探测。该任务将探测高达 10^15 GeV 的能量尺度，检验基础物理，并约束暗能量、中微子质量和宇宙再电离过程。

ABSTRACT

Quantum mechanical metric fluctuations during an early inflationary phase of the universe leave a characteristic imprint in the polarization of the cosmic microwave background (CMB). The amplitude of this signal depends on the energy scale at which inflation occurred. Detailed observations by a dedicated satellite mission (CMBPol) therefore provide information about energy scales as high as $10^{15}$ GeV, twelve orders of magnitude greater than the highest energies accessible to particle accelerators, and probe the earliest moments in the history of the universe. This summary provides an overview of a set of studies exploring the scientific payoff of CMBPol in diverse areas of modern cosmology, such as the physics of inflation, gravitational lensing and cosmic reionization, as well as foreground science and removal .

研究动机与目标

• 以高灵敏度测量原初CMB B模式偏振，以探测能量尺度高达 10^15 GeV 的暴胀引力波。
• 通过以宇宙方差限制精度绘制大尺度CMB偏振，改进对宇宙再电离的约束。
• 利用多频段观测，分离并清除极化的银河系前景（尘埃和同步辐射）。
• 提取由引力透镜引起的B模式，以绘制投影引力势并约束暗能量和中微子质量。
• 通过高精度偏振数据探测非高斯性、空间曲率和拓扑缺陷，以检验其他宇宙学模型。

提出的方法

• 部署一台基于空间的望远镜，配备覆盖广泛频率范围的多频段、高灵敏度偏振计，用于观测全天CMB偏振。
• 对CMB偏振场进行E模式与B模式分解，以分离标量诱导的信号与张量（引力波）贡献。
• 利用多频段数据应用先进的前景清洁技术，即使在低幅度下（例如 r = 0.01）也能隔离原初CMB信号。
• 建模引力透镜对CMB偏振的影响，以重建投影物质功率谱并提取宇宙学参数。
• 利用高分辨率、低噪声的图象，实现大尺度偏振的宇宙方差限制测量，最大化信息提取。
• 结合最先进的模拟与似然分析，预测对暴胀模型与基础物理的灵敏度。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于空间的CMB偏振任务能否在张量-标量比低至 r = 0.01 的情况下探测到暴胀引力波引起的原初B模式信号？
• RQ2 CMBPol在多大程度上能分离并清除极化的银河系前景（尘埃与同步辐射），以隔离原初信号？
• RQ3 CMBPol如何利用大尺度CMB偏振非均匀性精确约束宇宙再电离的时期与持续时间？
• RQ4 CMB偏振中由透镜效应引起的B模式能否用于绘制投影引力势，并约束暗能量与中微子质量？
• RQ5 通过高精度偏振测量，CMBPol对非零空间曲率或拓扑缺陷等其他宇宙学模型能施加何种约束？

主要发现

• CMBPol对大尺度B模式信号的灵敏度将比普朗克（Planck）或威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）高出一个以上数量级，从而即使在 r = 0.01 的情况下也能探测到原初引力波。
• 该任务将提供大尺度CMB偏振的宇宙方差限制图象，几乎完整捕捉到 z ≈ 10 时期再电离过程的所有信息。
• 凭借多频段覆盖，CMBPol可有效清除极化前景，从而在 1% 水平（r = 0.01）上探测到原初引力波信号。
• 由引力透镜引起的B模式将被高保真度测量，从而实现投影引力势的重建，并对暗能量与中微子质量施加约束。
• CMBPol将以前所未有的灵敏度绘制全天的银河系磁场与尘埃特性，尤其在低频段表现突出。
• 即使未探测到B模式信号，CMBPol仍将对宇宙学参数施加变革性的约束，并通过排除最广泛研究的暴胀模型，重新定向暴胀模型构建的方向。