[论文解读] Lambda-CDM and the WMAP power spectrum beam profile sensitivity

Utane Sawangwit, T. Shanks|arXiv (Cornell University)|Jun 7, 2010

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 5被引用 5

一句话总结

本文表明，WMAP宇宙微波背景（CMB）功率谱对辐射计的波束轮廓极为敏感，尤其由于其存在长幂律旁瓣。通过分析叠加的射电源轮廓，作者发现其波束比WMAP团队假设的更宽，并表明与这些观测一致的波束轮廓可将第一个声学峰的位置从 l≈220 移至 l≈330，从而使 Ω_baryon=1 且 H₀ 较低的简单 ΛCDM 模型能够拟合数据。

ABSTRACT

We first discuss the sensitivity of the WMAP CMB power spectrum to systematic errors by calculating the raw CMB power spectrum from WMAP data. We find that the power spectrum is surprisingly sensitive to the WMAP radiometer beam profile even at the position of the first acoustic peak on ~1 degree scales. Although the WMAP beam profile core is only 12.6arcmin FWHM at W, there is a long power-law tail to the beam due to side-lobes and this causes significant effects even at the first peak position. We then test the form of the beam-profile used by the WMAP team which is based on observations of Jupiter. We stacked radio source beam profiles as observed in each WMAP band and found that they showed a wider profile in Q, V, W than the Jupiter profile. We have now checked that this is not due to any Eddington or other bias in our sample by showing that the same results are obtained when radio sources are selected at 1.4GHz and that our methods retrieve the Jupiter beam when it is employed in simulations. Finally, we show that the uncertainty in the WMAP beam profile allows the position as well as the amplitude of the first peak to be changed and how this could allow simpler cosmologies than standard Lambda-CDM to fit the CMB data.

研究动机与目标

• 研究 WMAP CMB 功率谱对仪器波束轮廓不确定性的敏感性。
• 利用独立的射电源数据检验从木星观测中得出的 WMAP 波束轮廓的有效性。
• 评估波束轮廓不确定性是否允许更简单的宇宙学模型（如 Ω_baryon=1 且 H₀ 较低）拟合 CMB 数据。
• 探讨波束轮廓不准确对第一个声学峰位置和振幅解释的影响。
• 确定从未解析射电源观测到的波束轮廓是否与 WMAP 团队的波束模型一致。

提出的方法

• 通过 W1 和 W2 图像的互相关重新计算原始 WMAP W 波段功率谱，以分离波束效应。
• 将原始谱与使用木星导出的波束轮廓进行‘去波束化’后的最终 WMAP5 谱进行比较。
• 在约 150–250 个 WMAP5 射电源位置叠加 CMB 数据，以独立于木星观测测量波束轮廓。
• 使用 1.4 GHz 选定的射电源排除 Eddington 偏倚，并确认波束测量的一致性。
• 通过反向工程方法，将模型拟合至原始 W1W2 功率谱及 Ω_baryon=1 和低 H₀ 的理论模型，以重构波束轮廓。
• 构建一个‘自制’波束轮廓，包含中心高斯、指数过渡区以及在 ~35′ 处的大尺度尖峰，以重现峰位置的偏移。

实验结果

研究问题

• RQ1 WMAP CMB 功率谱对波束轮廓的详细形状（尤其在第一个声学峰处）有多敏感？
• RQ2 从木星观测得出的波束轮廓是否与在 Q、V 和 W 波段中从叠加的未解析射电源测得的波束轮廓一致？
• RQ3 与射电源数据一致的波束轮廓能否重现 Ω_baryon=1 且 H₀ 较低的简单宇宙学模型的 CMB 功率谱？
• RQ4 波束旁瓣对 CMB 功率谱中第一个声学峰的位置和振幅有何影响？
• RQ5 波束轮廓的不确定性在多大程度上允许替代宇宙学模型拟合 WMAP 数据，而无需依赖 ΛCDM？

主要发现

• 在第一个声学峰处（l≈220），原始 WMAP W 波段功率谱约为最终 WMAP5 谱的二分之一，其中约 70% 的差异源于波束轮廓效应。
• 尽管 WMAP 波束轮廓具有 12.′6 FWHM 的窄高斯核心，但其旁瓣存在长幂律尾部，显著影响 1° 尺度下的功率谱。
• 在 Q、V 和 W 波段中，叠加的射电源轮廓系统性地比木星导出的波束轮廓更宽，尤其在 10′–30′ 的角尺度上。
• 从射电源得出的波束轮廓未受源选择或 Eddington 效应的偏倚，这一点通过使用相同方法的模拟得到证实。
• 通过引入 ~35′ 处尖峰的‘自制’波束轮廓，成功将第一个峰从 l≈220 移至 l≈330，与 Ω_baryon=1、低 H₀ 宇宙学模型一致。
• 由 DIY 波束轮廓得出的‘去波束化’功率谱在 l>600 时与 QUAD 实验数据总体一致，尽管在 l>1000 时仍存在一些差异。