[论文解读] PRISM (Polarized Radiation Imaging and Spectroscopy Mission): A White Paper on the Ultimate Polarimetric Spectro-Imaging of the Microwave and Far-Infrared Sky

PRISM Collaboration, Philippe André+102 more|arXiv (Cornell University)|Jun 10, 2013

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 12被引用 83

一句话总结

PRISM 是一项拟议的大型空间任务，旨在以完整的偏振和绝对光谱分辨率，在射电至远红外波段开展宇宙范围的终极全天巡天。通过结合高分辨率偏振成像仪与低分辨率光谱仪，PRISM 将探测超过一百万个星系团，以前所未有的灵敏度绘制宇宙红外背景，并探测暴胀时期产生的原初引力波，从而在宇宙学与天体物理学领域实现变革性突破。

ABSTRACT

PRISM (Polarized Radiation Imaging and Spectroscopy Mission) was proposed to ESA in response to the Call for White Papers for the definition of the L2 and L3 Missions in the ESA Science Programme. PRISM would have two instruments: (1) an imager with a 3.5m mirror (cooled to 4K for high performance in the far-infrared---that is, in the Wien part of the CMB blackbody spectrum), and (2) an Fourier Transform Spectrometer (FTS) somewhat like the COBE FIRAS instrument but over three orders of magnitude more sensitive. Highlights of the new science (beyond the obvious target of B-modes from gravity waves generated during inflation) made possible by these two instruments working in tandem include: (1) the ultimate galaxy cluster survey gathering 10e6 clusters extending to large redshift and measuring their peculiar velocities and temperatures (through the kSZ effect and relativistic corrections to the classic y-distortion spectrum, respectively) (2) a detailed investigation into the nature of the cosmic infrared background (CIB) consisting of at present unresolved dusty high-z galaxies, where most of the star formation in the universe took place, (3) searching for distortions from the perfect CMB blackbody spectrum, which will probe a large number of otherwise inaccessible effects (e.g., energy release through decaying dark matter, the primordial power spectrum on very small scales where measurements today are impossible due to erasure from Silk damping and contamination from non-linear cascading of power from larger length scales). These are but a few of the highlights of the new science that will be made possible with PRISM.

研究动机与目标

• 在射电至远红外波段开展最灵敏的全天巡天，具备完整的偏振与绝对光谱分辨率。
• 探测并表征红移 z > 2 的星系团，实现大尺度速度场的精确测绘，并探究暗能量与结构形成机制。
• 通过探测数以万计的星系形成与引力透镜星系（红移 z > 6），解析宇宙红外背景（CIB），揭示恒星形成历史与星际介质物理特性。
• 以高灵敏度探测暴胀引力波引起的原初 B 模偏振，检验早期宇宙的基本理论模型。
• 通过在关键频段提供深度、混淆受限的全天图，为未来地面与空间任务（如 ALMA、SKA 与 CCAT）提供全面的全天参考。

提出的方法

• 利用一台冷却至约 4 K 的 3.5 米望远镜，在射电至远红外波段实现高角分辨率偏振成像。
• 部署低分辨率光谱仪，将天空的频谱与近乎完美的黑体参考源进行比较，实现绝对光谱测量。
• 利用萨尼亚夫-泽尔多维奇（Sunyaev-Zeldovich, SZ）效应，通过宇宙微波背景（CMB）的谱畸变探测星系团，具备高灵敏度与角分辨率，将星系团巡天扩展至 z = 2 以上。
• 应用动力学 SZ 效应测量推断星系团的特殊速度，实现对哈勃体积内大尺度速度场的完整三维测绘。
• 利用高分辨率远红外成像探测并表征尘埃遮蔽的星系形成星系，包括高红移处的强引力透镜与极端星暴系统。
• 将 PRISM 数据与现有巡天（如 eROSITA、Euclid）结合，实现交叉校准、提升星系团质量估计精度，并对更暗弱结构进行堆叠 X 射线分析。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于空间的全天巡天（在强度、偏振与绝对光谱上）是否能够探测到质量大于 10^14 M☉ 的所有星系团，以及质量在 5×10^13 M☉ 以上的大部分星系团，并延伸至 z > 2？
• RQ2 PRISM 的高分辨率偏振测量与绝对光谱技术在多大程度上可实现对暴胀引力波引起的原初 B 模偏振的探测？
• RQ3 PRISM 能够以多高精度测绘宇宙红外背景（CIB），并解析红移 z > 6 以内的星系形成活动的总辐射功率函数与空间聚集特性？
• RQ4 PRISM 的光谱与空间分辨率是否足以探测 SZ 效应中的相对论性修正，从而实现对星系团内气体温度的直接测量？
• RQ5 PRISM 在多个频段实现混淆受限灵敏度的全天图，将如何与 ALMA 等地面干涉仪以及 SKA 与 CCAT 等未来任务形成互补？

主要发现

• PRISM 将探测约一百万个星系团，包括所有质量大于 10^14 M☉ 的星系团，以及质量在 5×10^13 M☉ 以上的大部分星系团，红移延伸至 z > 2 以上。
• 该任务将通过动力学 SZ 效应测量数十万个星系团的特殊速度，实现对哈勃体积内大尺度速度场的完整三维测绘。
• PRISM 将探测数以万计的强引力透镜、明亮的星系形成星系，以及数百个极端星暴星系，红移高达 z > 6，为高红移恒星形成与星际介质物理提供独特洞见。
• 该任务将在多个频段实现混淆受限的灵敏度，提供覆盖整个天空的深度图，其灵敏度可与或优于赫歇尔（Herschel）任务。
• PRISM 将测量数千个射电源在尚未充分探索的亚毫米至毫米频段的光谱能量分布（SED），填补关键观测空白。
• 通过与 eROSITA 和 Euclid 巡天数据结合，PRISM 将实现 X 射线与 SZ 效应星系团宇宙学的交叉校准，提升星系团质量与温度估计精度，并实现对更暗弱结构的堆叠 X 射线分析。