[论文解读] Study of the Experimental Probe of Inflationary Cosmology (EPIC)-Intemediate Mission for NASA's Einstein Inflation Probe

James J. Bock, A. Aljabri+36 more|ArXiv.org|Jun 5, 2009

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 13被引用 54

一句话总结

本文提出EPIC-中间任务（EPIC-IM），一种具有中等孔径的宇宙微波背景（CMB）极化观测器，旨在通过B模式极化探测原初引力波。通过结合大尺寸焦面、先进光学系统以及4K机械冷却器，EPIC-IM的灵敏度高于以往概念，能够实现对暴胀B模式、引力透镜B模式及全天极化银河系尘埃的精确测量。

ABSTRACT

Measurements of Cosmic Microwave Background (CMB) anisotropy have served as the best experimental probe of the early universe to date. The inflationary paradigm, inspired in part by the extreme isotropy of the CMB, is now a cornerstone in modern cosmology. Inflation has passed a series of rigorous experimental tests, but we still do not understand the physical mechanism or energy scale behind inflation. A general prediction of inflation and one that can provide certain insights into inflationary physics is a background of primordial gravitational waves. These perturbations leave a distinct signature in the CMB B-modes of polarization. The EPIC (Experimental Probe of Inflationary Cosmology) study team has investigated several CMB polarization mission concepts to carry out a definitive measurement of the inflationary B-mode polarization spectrum. In this report we study a mission with an aperture intermediate between the two missions discussed in our previous report. EPIC-IM's increased aperture allows access to a broader science case than the small EPIC-Low Cost mission. In addition to the search for inflationary gravitational waves, the increase aperture allows us to mine the scale polarization and lensing shear polarization signals down to cosmological limits, so that we extract virtually all the cosmological information available from the CMB. In addition, a modest number of channels operating at higher frequencies allows for an all-sky measurement of polarized Galactic dust, which will provide a rich dataset for Galactic science related to magnetic fields. Using a combination of a large sensitivity focal plane with a new optical design, and an efficient 4K mechanical cooler, EPIC-IM realizes higher sensitivity than EPIC-Comprehensive Science mission.

研究动机与目标

• 开发一种中等孔径尺寸的CMB极化任务，介于低成本任务与全面科学任务之间，以实现最优科学回报。
• 实现对暴胀B模式极化的确定性探测，这是原初引力波的关键信号。
• 从所有尺度的CMB极化中提取宇宙学信息，包括达到宇宙学极限的引力透镜B模式信号。
• 开展全天极化银河系尘埃发射的调查，以深入了解星际磁场和尘埃特性。
• 通过先进仪器设计与热管理技术，实现高于以往任务概念的灵敏度。

提出的方法

• 设计一种空间望远镜，采用中等孔径（大于EPIC-低成本任务，小于全面科学任务），在成本与性能之间实现平衡。
• 实施大尺寸、高灵敏度焦面，配备数千个过渡边缘传感器热释电计数器，用于毫米波段极化测量。
• 集成一种新颖的光学设计，高效收集并聚焦亚毫米波辐射，实现低串扰与高透过率。
• 利用4K机械冷却器将探测器温度维持在100 mK以下，确保探测器性能最优。
• 在多个频率波段运行，包括更高频段，以实现CMB信号与银河系尘埃前景的分离。
• 开展全天空调查，以高角分辨率绘制CMB极化（E模式与B模式）及极化尘埃发射。

实验结果

研究问题

• RQ1 中等规模CMB极化任务是否具备足够灵敏度，以探测宇宙暴胀理论预测的暴胀B模式信号？
• RQ2 引力透镜B模式信号的测量程度如何，能否用于约束中微子总质量与暗能量等宇宙学参数？
• RQ3 极化银河系尘埃发射在全天范围内的测绘精度如何，能否为星际磁场模型与尘埃颗粒对齐机制提供信息？
• RQ4 在孔径尺寸、焦面尺寸与频率覆盖范围之间，何种平衡可最大化从CMB极化中提取的宇宙学信息？
• RQ5 先进光学系统与4K冷却器的结合，是否能在不超出成本限制的前提下，实现高于以往任务概念的灵敏度？

主要发现

• 通过优化仪器设计与热管理，EPIC-IM的灵敏度高于EPIC-全面科学任务。
• 该任务可实现对暴胀B模式信号的探测，其信噪比足以将其与天体物理前景及宇宙涨落区分开来。
• 对极化尘埃的全天空调查提供了高保真数据集，可用于研究全天范围内的银河系磁场与尘埃特性。
• 引力透镜B模式信号可测量至宇宙学极限，从而从CMB极化中提取几乎全部可用的宇宙学信息。
• 中等孔径尺寸使该任务在科学覆盖范围上优于低成本任务，同时在成本效益上优于全面科学任务。
• 将4K机械冷却器与大尺寸焦面集成，可实现任务全周期内稳定、低噪声运行，这对长期CMB观测至关重要。