[论文解读] Microwave Spectro-Polarimetry of Matter and Radiation across Space and Time

Jacques Delabrouille, Maximilian H. Abitbol+78 more|arXiv (Cornell University)|Sep 4, 2019

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 195被引用 37

一句话总结

提出了一项高灵敏度、多仪器的太空任务，利用 SZ 效应、透镜、高红移发射、原初 CMB 以及光谱畸变，在弧分钟到全天空尺度跨越宇宙历史进行物质与辐射的全天空光谱极化普查。

ABSTRACT

This paper discusses the science case for a sensitive spectro-polarimetric survey of the microwave sky. Such a survey would provide a tomographic and dynamic census of the three-dimensional distribution of hot gas, velocity flows, early metals, dust, and mass distribution in the entire Hubble volume, exploit CMB temperature and polarisation anisotropies down to fundamental limits, and track energy injection and absorption into the radiation background across cosmic times by measuring spectral distortions of the CMB blackbody emission. In addition to its exceptional capability for cosmology and fundamental physics, such a survey would provide an unprecedented view of microwave emissions at sub-arcminute to few-arcminute angular resolution in hundreds of frequency channels, a data set that would be of immense legacy value for many branches of astrophysics. We propose that this survey be carried-out with a large space mission featuring a broad-band polarised imager and a moderate resolution spectro-imager at the focus of a 3.5m aperture telescope actively cooled to about 8K, complemented with absolutely-calibrated Fourier Transform Spectrometer modules observing at degree-scale angular resolution in the 10-2000 GHz frequency range. We propose two observing modes: a survey mode to map the entire sky as well as a few selected wide fields, and an observatory mode for deeper observations of regions of specific interest.

研究动机与目标

• 使用微波光谱极化测量，推动对宇宙自上一次散射表面至现在的物质和辐射的全面普查。
• 定义观测量（SZ 效应、CMB 透镜、高红移线发射、原初 CMB、光谱畸变）以在时空中对宇宙网进行三维映射。
• 概述实现弧分钟到度尺测量、覆盖 10–2000 GHz 的任务概念、仪器与技术路线。
• 突出在宇宙学、天体物理与基础物理学方面的科学影响与遗产价值。

提出的方法

• 提出一个在轨道的三种仪器、在 10–2000 GHz 范围内具有不同光谱与角分辨率的太空观测方案。
• 使用一个2–3 米级大冷镜望远镜，以在 300 GHz 实现弧分钟尺度分辨率，用于广域偏振成像仪和中等分辨率滤波组分光仪。
• 在整个带宽内整合一个具有高灵敏度的绝对光谱傅里叶变换光谱仪（FTS），光谱分辨率覆盖 2.5–60 GHz。
• 在观测和天文台模式下实现 6 年 L2 轨道观测，包括一个来宾焦平面用于额外科学。
• 借鉴先前的任务概念（CORE、PICO、SPICA、PIXIE、PRISTINE），以提供仪器遗产与技术就绪度的参照。

实验结果

研究问题

• RQ1 高灵敏度、多频微波观测如何在宇宙历史上实现物质与暗物质结构的全面普查？
• RQ2 需要的能力（灵敏度、角分辨率、光谱分辨率、频率通道）以分离 tSZ、kSZ、rSZ、ntSZ 与 CIB 信号，并映射气体、速度场与透镜效应？
• RQ3 CMB 透镜成像、SZ 断层成像与光谱畸变在约束 ΛCDM 的扩展与基础物理方面的现实潜力如何？
• RQ4 哪种任务设计（仪器、观测策略、持续时间）能在 10–2000 GHz 范围内以主 CMB 精度、SZ 诊断与光谱畸变测量为目标实现？
• RQ5 拟议的观测如何解决诸如暴涨、暗物质/暗能量属性与再电离历史等开放宇宙学问题？

主要发现

• 一个全天空、弧分钟分辨率的 SZ 与透镜普查或可检测到所有质量大于 5×10^13 Msun 的簇，y 参数灵敏度 δY500 约为 9×10^-7，且有望达到 δY500 约为 5×10^-8。
• 大约 1.5′ 的角分辨率（目标 1′）是需要的，以在相关尺度上恢复簇信号并有效测量 kSZ。
• 一个宽广的多通道观测（约 20 个带宽，覆盖 50–800 GHz）是分离 SZ、CIB 与前景的必要条件，关键通道在 150、220、350 GHz。
• CMB 透镜重建受益于高灵敏度偏振测量，4′ 分辨率下性能在 ~0.1–0.3 μK·arcmin 左右达到饱和，2–4′ 分辨率下 TT 图在 ~3 μK·arcmin。
• 跨 10–2000 GHz 的绝对光谱学使用 FTS 的灵敏度可达到比 COBE-FIRAS 高出 4–5 个数量级的水平，使光谱畸变研究和再合成辐射探针实现高精度。
• 该任务将开启一项变革性、具有遗产价值的普查，超越当前能力对宇宙学、结构形成与基础物理的约束。