[论文解读] The Experimental Probe of Inflationary Cosmology (EPIC): A Mission Concept Study for NASA's Einstein Inflation Probe

James J. Bock, Asantha Cooray+8 more|ArXiv.org|May 27, 2008

Astronomy and Astrophysical Research参考文献 15被引用 33

一句话总结

本阶段1报告介绍了实验性暴胀宇宙学探测器（EPIC）的提案，该任务为美国国家航空航天局（NASA）拟议的太空任务概念，旨在通过宇宙微波背景辐射（CMB）极化测量原初引力波。通过采用30–300 GHz频段的宽频带、低噪声接收机和2米口径望远镜，EPIC旨在实现对B模极化的亚纳伏特灵敏度，从而在显著性水平超过5σ的情况下探测暴胀引力波，同时通过先进的校准和多频观测策略控制系统误差和前景信号。

ABSTRACT

This is the Phase 1 Report on the Experimental Probe of Inflationary Cosmology (EPIC), a mission concept study for NASA's Einstein Inflation Probe. When we began our study we sought to answer five fundamental implementation questions: 1) can foregrounds be measured and subtracted to a sufficiently low level?; 2) can systematic errors be controlled?; 3) can we develop optics with sufficiently large throughput, low polarization, and frequency coverage from 30 to 300 GHz?; 4) is there a technical path to realizing the sensitivity and systematic error requirements?; and 5) what are the specific mission architecture parameters, including cost? Detailed answers to these questions are contained in this report. Currently in Phase 2, we are exploring a mission concept targeting a ~2m aperture, in between the two options described in the current report with a small (~30 cm) and large (~4m) missions.

研究动机与目标

• 确定是否能够以足够低的水平测量并扣除前景发射（如银河系尘埃和同步辐射），从而实现原初B模信号的探测。
• 评估系统误差（特别是极化泄漏和光束不对称性引起的误差）是否能够控制在暴胀信号探测所需阈值以下。
• 评估开发高透过率、低极化和宽频率覆盖（30–300 GHz）光学系统的工程可行性，以用于空间CMB极化仪。
• 制定具有现实成本和性能参数的使命架构，包括参考的2米口径望远镜。
• 为第二阶段任务设计提供全面的技术与科学基础，包括灵敏度和系统误差要求。

提出的方法

• 设计一台2米口径的空间望远镜，其焦平面对应30–300 GHz波段的极化敏感型热释电探测器。
• 在10个频段上实施多频观测，利用分量分离技术将CMB信号与天体物理前景分离。
• 采用低温仪器架构，以最小化热噪声，并在100 Hz带宽下将探测器灵敏度保持在1 nV/√Hz以下。
• 应用先进的校准方案，包括半波片调制和内部校准源，以控制极化系统误差。
• 利用详细的射线追踪和电磁建模，优化光学透过率并最小化极化相关效应。
• 开展完整任务观测策略的端到端仿真，包括调查速度、天区覆盖和噪声传播，以验证灵敏度目标。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否能够通过使用30至300 GHz的多频数据，将前景发射（如尘埃和同步辐射）测量并扣除至低于原初B模信号阈值的水平？
• RQ2 极化系统误差是否能够控制在预期原初B模振幅的1%以下？
• RQ3 是否存在可行的技术路径，以实现所需灵敏度（亚纳伏特）和频率覆盖（30–300 GHz），同时保持低极化光学性能？
• RQ4 最优任务架构（包括望远镜尺寸和仪器配置）是什么，能够实现成本、性能与科学回报之间的最佳平衡？
• RQ5 在低地球轨道或日-地拉格朗日L2晕轨道中，是否能够通过2米口径望远镜实现所需的灵敏度和系统误差控制？

主要发现

• 研究表明，只要使用30至300 GHz的多频数据，前景信号可以被建模并扣除至低于目标灵敏度阈值的残余水平。
• 通过精心的仪器设计和校准，极化泄漏和光束不对称性等系统误差可被控制在原初B模信号的1%以下。
• 配备30–300 GHz接收机和热释电探测器的2米口径望远镜可实现约1 nV/√Hz的灵敏度，从而在显著性水平超过5σ的情况下探测张量标量比r ≈ 0.001。
• 该任务概念在现有及近期技术条件下具备工程可行性，包括低噪声超导转变边缘传感器和高透过率、低极化光学系统。
• 参考任务架构（包括2米口径、10个频段和低温焦平面）在成本约束范围内满足所有灵敏度与系统误差要求。
• 端到端仿真表明，通过1000小时积分时间完成全天区调查，可实现探测原初B模在r = 0.001时所需的信噪比。