[论文解读] PASIPHAE: A high-Galactic-latitude, high-accuracy optopolarimetric survey

Konstantinos Tassis, A. N. Ramaprakash+14 more|arXiv (Cornell University)|Oct 12, 2018

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 2被引用 29

一句话总结

PASIPHAE 通过在南非和希腊的天文台部署新型 WALOP 偏振计，开展高精度、大范围的光学线偏振巡天，测量超过 350 万颗恒星在 10,000 平方度高银纬区域的线偏振，实现对银河系磁场的首次断层扫描图绘制。结合盖亚任务提供的恒星距离，该研究将显著提升宇宙微波背景 B 模式实验的前景污染去除能力，并推动星际磁学、宇宙射线和尘埃物理的研究。

ABSTRACT

PASIPHAE (the Polar-Areas Stellar Imaging in Polarization High-Accuracy Experiment) is an optopolarimetric survey aiming to measure the linear polarization from millions of stars, and use these to create a three-dimensional tomographic map of the magnetic field threading dust clouds within the Milky Way. This map will provide invaluable information for future CMB B-mode experiments searching for inflationary gravitational waves, providing unique information regarding line-of-sight integration effects. Optical polarization observations of a large number of stars at known distances, tracing the same dust that emits polarized microwaves, can map the magnetic field between them. The Gaia mission is measuring distances to a billion stars, providing an opportunity to produce a tomographic map of Galactic magnetic field directions, using optical polarization of starlight. Such a map will not only boost CMB polarization foreground removal, but it will also have a profound impact in a wide range of astrophysical research, including interstellar medium physics, high-energy astrophysics, and evolution of the Galaxy. Taking advantage of the novel technology implemented in our high-accuracy Wide-Area Linear Optical Polarimeters (WALOPs) currently under construction at IUCAA, India, we will engage in a large-scale optopolarimetric program that can meet this challenge: a survey of both northern and southern Galactic polar regions targeted by CMB experiments, covering over 10,000 square degrees, which will measure linear optical polarization of over 360 stars per square degree (over 3.5 million stars, a 1000-fold increase over the state of the art). The survey will be conducted concurrently from the South African Astronomical Observatory in Sutherland, South Africa in the southern hemisphere, and the Skinakas Observatory in Crete, Greece, in the north.

研究动机与目标

• 通过提供高精度、三维磁场测绘，解决银河系尘埃偏振这一宇宙微波背景 B 模式实验中主要前景污染源的关键挑战。
• 克服当前偏振数据稀疏的局限——每 3 平方度仅约 1 颗恒星——实现每平方度超过 360 颗恒星的 1000 倍提升。
• 通过沿视线方向提供磁场方向的断层扫描图，实现对宇宙微波背景前景中频率去相关效应的精确建模。
• 通过重建的三维磁场结构，支持高能天体物理学研究，实现对超高能宇宙射线轨迹的反向追踪。
• 通过提供偏振度、消光律和远红外波段消光系数变化的数据，推进对星际尘埃物理模型的理解。

提出的方法

• 在希腊斯金亚卡天文台和南非天文台（南非苏特赫兰）部署高精度广域线性光学偏振计（WALOP），实现南北半球同步观测。
• 开展覆盖超过 10,000 平方度高银纬区域的巡天，目标区域与宇宙微波背景实验密切相关。
• 对超过 350 万颗恒星测量线偏振度（偏振度 $p$ 和电矢量位置角 $ ext{EVPA}$），在 $p \rightarrow 0.5\%$ 时实现单颗恒星 $p$ 测量精度达 0.2%。
• 结合光学偏振数据与盖亚任务提供的精确恒星距离，构建银河系磁场方向的三维断层扫描图。
• 将断层扫描图与尘埃发射数据结合，建模频率去相关效应，改进 COMMANDER 等宇宙微波背景前景去除软件。
• 利用生成的星表与磁场图，检验星际湍流模型、银河系喷泉动力学以及磁场与尘埃颗粒特性对齐的理论预测。

实验结果

研究问题

• RQ1 高精度、大范围的恒星偏振测量在多大程度上可改善宇宙微波背景 B 模式实验中尘埃偏振发射的频率去相关效应建模？
• RQ2 三维银河系磁场断层扫描图在多大程度上可降低宇宙微波背景前景减除中的不确定性，特别是在视线方向磁场分量错位的区域？
• RQ3 从恒星偏振反演出的磁场结构在多大程度上与磁流体动力学不稳定性理论及银河系喷泉模型的预测一致？
• RQ4 重建的三维磁场图能否提升对超高能宇宙射线源的反向追踪能力？
• RQ5 偏振数据在多大程度上揭示了消光律的空间变化、峰值发射波长以及单位消光的远红外波段光学厚度变化？

主要发现

• 巡天将使已测量偏振的恒星密度提升 1000 倍，从每 3 平方度约 1 颗增至每平方度超过 360 颗。
• PASIPHAE 将实现对单颗恒星在 $p \rightarrow 0.5\%$ 时偏振度测量精度达 0.2%，支持稳健的统计分析。
• 通过结合光学偏振与盖亚恒星距离，首次生成银河系磁场方向的三维断层扫描图，实现视线方向磁场结构的解析。
• 巡天将生成一个天区掩膜，标识出因磁场方向错位而存在高频率去相关风险的区域，可直接用于宇宙微波背景 B 模式分析以避免污染。
• 数据将支持对冷尘偏振发射谱的改进建模，尤其针对频率去相关效应，并将被整合进 COMMANDER 宇宙微波背景前景去除软件。
• 巡天星表将支持对 100 个未关联费米伽马射线源的光学对应体搜索，并推动对具有本征偏振的恒星（如具有原行星盘的恒星）的研究。