[论文解读] Measuring Light from the Epoch of Reionization with CIBER, the Cosmic Infrared Background Experiment

M. Zemcov, Toshiaki Arai+18 more|arXiv (Cornell University)|Jan 8, 2011

Superconducting and THz Device Technology被引用 4

一句话总结

CIBER 通过探空火箭载荷测量宇宙红外背景（CIB）及其空间涨落，以探测再电离时期（EoR）的光，使用宽带成像仪、低分辨率光谱仪和高分辨率光谱仪来绘制黄道光。首次飞行确认了弥散近红外背景水平，并对再电离信号进行了约束，未来任务如 CIBER-2 和 ZEBRA 将提高灵敏度，并在太阳系外缘实现对 EoR 的确定性测量。

ABSTRACT

Ultraviolet emission from the first generation of stars in the Universe ionized the intergalactic medium in a process which was completed by z~6; the wavelength of these photons has been redshifted by (1+z) into the near infrared today and can be measured using instruments situated above the Earth's atmosphere. First flying in February 2009, the Cosmic Infrared Background Experiment (CIBER) comprises four instruments housed in a single reusable sounding rocket borne payload. CIBER will measure spatial anisotropies in the extragalactic IR background caused by cosmological structure from the epoch of reionization using two broadband imaging instruments, make a detailed characterization of the spectral shape of the IR background using a low resolution spectrometer, and measure the absolute brightness of the Zodical light foreground with a high resolution spectrometer in each of our six science fields. This paper presents the scientific motivation for CIBER and details of its first two flights, including a review of the published scientific results from the first flight and an outlook for future reionization science with CIBER data.

研究动机与目标

• 测量河外红外背景（EBL）及其空间各向异性的目标，以探测第一代恒星电离星际介质的再电离时期（EoR）
• 通过探测 EoR 中微弱的弥散发射，解决积分星系计数与绝对光度 EBL 测量之间的差异
• 表征近红外 EBL 的光谱形状，并减去黄道光等前景，以隔离再电离信号
• 通过未来任务如 CIBER-2 和 ZEBRA 提高对 EoR 涨落的灵敏度，这些任务将把观测扩展至日心距离 >5 AU
• 利用近红外背景涨落，对早期恒星形成历史提供补充约束，特别是在射电与亚毫米波方法受限的区域

提出的方法

• CIBER 使用可重复使用的探空火箭载荷，搭载四台仪器：两台宽带成像仪用于测量 EBL 的空间各向异性的分布，一台低分辨率光谱仪（LRS）用于测量 EBL 的光谱形状，以及两台高分辨率光谱仪（HRS）用于绘制黄道光前景
• 载荷飞行在高于 300 公里的高度，位于大气辐射发射与吸收的大部分之上，从而实现对近红外天空的高动态范围测量
• LRS 测量从 0.7 到 2.1 μm 的 EBL 光谱，使能够探测第一代恒星在红移紫外发射中产生的莱曼截止特征
• HRS 仪器对六个不同天区的黄道光进行高分辨率光谱观测，以建模并减去这一主导前景，从而隔离 EBL 信号
• 利用前两次飞行的数据校准前景模型，并对近红外背景中 EoR 涨落的幅度进行约束
• 未来任务如 CIBER-2 将通过将望远镜口径和波段数量（从 2 增至 4）提升，使对 EoR 涨落的灵敏度提高约 10 倍

实验结果

研究问题

• RQ1 再电离时期在近红外河外背景光（EBL）中留下的幅度和空间功率谱是多少？
• RQ2 弥散近红外 EBL 中有多少成分来自第一代恒星，其与已解析星系的总光相比如何？
• RQ3 是否能在光学与近红外测量之间的近红外 EBL 光谱中探测到再电离的莱曼截止特征？
• RQ4 如何精确建模并减去黄道光前景，以隔离微弱的再电离信号？
• RQ5 在太阳系外缘（黄道光显著减弱）通过直接测光探测再电离背景的可能性如何？

主要发现

• 首次 CIBER 飞行在 0.7 至 2.1 μm 波段实现了对近红外 EBL 光谱的高动态范围测量，确认了除已解析星系之外还存在弥散背景成分
• 在 3.6 μm 处测得的 EBL（12.4 ± 3.2 nW m⁻² sr⁻¹）高于深空 Spitzer 巡天的积分星系计数（6–9 nW m⁻² sr⁻¹），表明存在显著的未解析弥散成分
• CIBER 的高分辨率光谱仪成功绘制了六个天区的黄道光前景，使能够精确减去这一主导前景，从而隔离 EBL 信号
• 首次飞行对近红外 EBL 中由 EoR 引起的涨落幅度进行了约束，设定了再电离光学深度和早期恒星形成对 EBL 贡献的限制
• 预计 CIBER-2 将在四个波段中使对 EoR 涨落的灵敏度提高约 10 倍，接近探测再电离信号的理论灵敏度极限
• ZEBRA 任务概念设计用于在日心距离 >5 AU 的外太阳系部署，可使黄道光降低约 1000 倍，从而实现对再电离背景的确定性测光测量