[论文解读] PICO: Probe of Inflation and Cosmic Origins

Marcelo A. Alvarez, E. Artis+80 more|HAL (Le Centre pour la Communication Scientifique Directe)|Aug 20, 2019

Planetary Science and Exploration被引用 72

一句话总结

一种探针级太空任务（PICO）的提案，将执行深度覆盖全天空的5年成像极化巡测，覆盖21个频段，以测量暴涨引力波、中微子性质、轻型遗留粒子、暗物质、原始磁场（PMFs）以及宇宙结构；目标是 r = 5×10^-4（5σ），并带来具有变革意义的宇宙学约束。

ABSTRACT

The Probe of Inflation and Cosmic Origins (PICO) is a proposed probe-scale space mission consisting of an imaging polarimeter operating in frequency bands between 20 and 800 GHz. We describe the science achievable by PICO, which has sensitivity equivalent to more than 3300 Planck missions, the technical implementation, the schedule and cost.

研究动机与目标

• 推动一项基于太空、探针级的任务，通过测量暴涨信号和早期宇宙物理来推动基础宇宙学与粒子物理学的发展。
• 以高显著性量化约束 r、N_eff 与中微子质量之和的能力。
• 表征宇宙结构形成、银河前背景及磁场，以实现广泛天体物理科学研究。
• 提供一个多波段的遗产数据集，用于星系、星团、尘埃和CIB研究，具备超稳定的热环境与受控的系统误差。

提出的方法

• 采用在两反射器Dragone风格望远镜上的21频带成像偏振仪，频率范围从21到799 GHz。
• 搭载时域多路复用读取的TES热释电探测器焦平面，及SQUID放大器。
• 在地-日L2的太空观测策略，进行5年覆盖全天空的 surveys，且探测器之间数据冗余度高。
• 利用广泛的频率覆盖和多地图交叉检查进行前景分离，以达到约1×10^-3或更好的r灵敏度。
• 热设计采用被动冷却、4.5 K 光学部件，以及使用cADR和类似JWST的冷却技术的亚开尔文冷却（焦平面0.1 K）。
• 运作模型受到WMAP/Planck的启发，采用自旋稳定扫描和去偏转模块，以确保校准和系统误差控制。

实验结果

研究问题

• RQ1 在21个频带和前景的条件下，能够在5σ水平检测或排除的原初B模极化（张量-标量比 r）的水平是多少？
• RQ2 PICO能以何种精度约束 N_eff、Σmν，以及ΛCDM及其扩展的宇宙学参数？
• RQ3 在与外部数据集结合时，PICO在绘制引力透镜势和推导σ8(z)及中微子质量方面的能力有多强？
• RQ4 PICO探测或约束原初磁场和宇宙偏振双折射的能力如何？
• RQ5 PICO的全天空尘埃与磁场图如何改进宇宙学B模提取的前景建模？

主要发现

• PICO 旨在以5σ检测 r = 5×10^-4，探测暴涨能量尺度约为5×10^15 GeV。
• 它预测对中微子质量下限的测量为4σ（当Σmν接近0.1 eV时可能达到7σ）。
• PICO可以将ΔN_eff约束在<0.06（95%），对超出标准模型的轻型遗留粒子具有敏感性。
• σ(τ) ≈ 0.002，结合更高分辨率数据时，可对再电离历史进行稳健重建，并获得高保真度的斑块化τ映射。
• CMB透镜测量，对 CL^φφ的信噪比>560，将实现对σ8(z)的亚百分比约束；约150,000个星系团的目录将实现对生长与暗能量的精确约束。
• PICO 将提供8600万次银河发射的偏振测量，大幅改善尘埃和磁场研究，并推动广泛的银河科学。