[论文解读] Power asymmetry in CMB polarization maps from PLANCK : a local variance analysis

Pavan K. Aluri, Arman Shafieloo|arXiv (Cornell University)|Oct 2, 2017

Cosmology and Gravitation Theories被引用 7

一句话总结

本研究利用局部方差估计器对普朗克2015年CMB偏振图中的半球功率不对称性进行了研究，基于低分辨率E模态图。研究发现，在大角度尺度上存在显著的2.6–3.9%的偶极型功率不对称性，其偶极方向与CMB运动偶极方向一致，提示可能存在系统效应或超出统计各向同性的新物理。

ABSTRACT

A persistent signal of power asymmetry on opposite hemispheres of CMB sky was seen in full-sky temperature measurements made so far. This asymmetry was seen in microwave sky from WMAP as well as PLANCK satellites, and calls for attention the larger question of \\emph{statistical isotropy}, one of the foundational principles of modern cosmology. In this work we present an analysis of polarized CMB maps from PLANCK 2015 full mission data. We apply the local variance estimator on low resolution $E-$mode maps from PLANCK 2015 polarization \ exttt{Commander} solution. We find a significant hemispherical power asymmetry in polarization data on large angular scales, at the level of $\\sim 2.6-3.9\\%$ depending on the galactic mask, and the circular disc radius used for computing local variance maps. However the direction is found to be pointing broadly towards CMB kinetic dipole direction. Precise measurements of CMB polarization in future will shed light on this apparent discrepancy in the anisotropy axis seen in temperature and polarized CMB sky, and likely influence of systematics on our findings.

研究动机与目标

• 调查此前在CMB温度图中观测到的半球功率不对称性（HPA）是否存在于普朗克2015年偏振数据中。
• 通过在不同角尺度和掩膜下使用局部方差估计，检验E模态偏振中HPA检测的稳健性。
• 评估该不对称性的方向是否与CMB运动偶极方向一致，这可能暗示系统效应或新物理。
• 评估不同掩膜类型——P空间（P²=Q²+U²）与E空间——对局部方差偶极检测的影响。
• 检查不对称性幅度在多极数l=[20,240]、[60,240]和[100,240]范围内的尺度依赖性。

提出的方法

• 将局部方差估计器（LVE）应用于普朗克2015年Commander分量分离偏振解在N_side=256和FWHM=40'下的低分辨率E模态图。
• 使用半径为120'的圆形区域计算局部方差图，以估计天空中各区域的功率变化。
• 对所得的局部方差图拟合偶极场，以量化功率不对称性的幅度和方向。
• 使用多种银道掩膜（mask080E、mask085E、P掩膜）测试结果的稳健性，并评估掩膜选择对结果的影响。
• 将E模态图滤波至三个多极数范围，以检验不对称性幅度的尺度依赖性。
• 修改公开可用的噪声模拟，尽管模拟与数据之间存在已知的噪声水平差异，仍计算了统计显著性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在大角度尺度上，普朗克2015年CMB E模态偏振图中是否存在显著的半球功率不对称性？
• RQ2 检测到的不对称性方向是否与CMB运动偶极方向一致？
• RQ3 不对称性幅度如何随银道掩膜选择（P空间与E空间）而变化？
• RQ4 在不同多极数范围（l=[20,240]、[60,240]、[100,240]）内，不对称性是否表现出尺度依赖性？
• RQ5 观测到的不对称性是否可归因于系统效应，还是表明CMB偏振场存在统计各向同性的破缺？

主要发现

• 在大角度尺度（l=[20,240]）上，普朗克2015年E模态偏振图中检测到显著的2.6–3.9%半球功率不对称性。
• 从局部方差图推断出的偶极方向（mask080E为253.7°, 40.2°；mask085E为266.8°, 40.8°）与CMB运动偶极方向高度一致，角距离分别为10.7°和7.5°。
• 对于两种E空间掩膜，偶极幅度的显著性水平p < 0.001，表明在大尺度上检测结果具有高度统计置信度。
• 在更小的角尺度上（l=[100,240]），偶极幅度显著降低，p值上升至约0.2，表明不对称性具有尺度依赖性。
• 与P空间掩膜相比，E空间掩膜（基于E模态）产生的偶极方向更一致且与CMB偶极方向更吻合，表明P掩膜在E模态分析中可能并非最优选择。
• 结果表明，普朗克偏振数据在大角度尺度上的系统效应可能影响观测到的不对称性，因此未来高精度偏振测量对于验证结果至关重要。