[论文解读] The Large-Scale Polarization Explorer (LSPE)

The LSPE collaboration, Simone Aiola+55 more|arXiv (Cornell University)|Aug 1, 2012

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 32被引用 11

一句话总结

大型极化探测器（LSPE）是一项气球载荷任务，旨在测量大尺度宇宙微波背景（CMB）极化，特别是原初暴胀期间引力波产生的B模式信号。该任务采用双仪器配置——43/90 GHz频段的相干HEMT极化计和95/145/245 GHz频段的带旋转半波片的热释电极化计，目标是在99.7%置信水平下将张量标量比r的约束降至0.03，同时绘制银河系前景极化，用于研究磁场和尘埃特性。

ABSTRACT

The LSPE is a balloon-borne mission aimed at measuring the polarization of the Cosmic Microwave Background (CMB) at large angular scales, and in particular to constrain the curl component of CMB polarization (B-modes) produced by tensor perturbations generated during cosmic inflation, in the very early universe. Its primary target is to improve the limit on the ratio of tensor to scalar perturbations amplitudes down to r = 0.03, at 99.7% confidence. A second target is to produce wide maps of foreground polarization generated in our Galaxy by synchrotron emission and interstellar dust emission. These will be important to map Galactic magnetic fields and to study the properties of ionized gas and of diffuse interstellar dust in our Galaxy. The mission is optimized for large angular scales, with coarse angular resolution (around 1.5 degrees FWHM), and wide sky coverage (25% of the sky). The payload will fly in a circumpolar long duration balloon mission during the polar night. Using the Earth as a giant solar shield, the instrument will spin in azimuth, observing a large fraction of the northern sky. The payload will host two instruments. An array of coherent polarimeters using cryogenic HEMT amplifiers will survey the sky at 43 and 90 GHz. An array of bolometric polarimeters, using large throughput multi-mode bolometers and rotating Half Wave Plates (HWP), will survey the same sky region in three bands at 95, 145 and 245 GHz. The wide frequency coverage will allow optimal control of the polarized foregrounds, with comparable angular resolution at all frequencies.

研究动机与目标

• 以高灵敏度测量宇宙微波背景（CMB）的大尺度极化，以探测宇宙暴胀产生的原初B模式信号。
• 将张量标量比r的上限提高至99.7%置信水平下为0.03，以检验暴胀宇宙学的预测。
• 生成银河系极化前景（来自同步辐射和尘埃发射）的大范围地图，以研究星际磁场和尘埃特性。
• 通过宽频带覆盖（43–245 GHz）并保持各频段角分辨率相近，实现对前景污染的最佳控制。
• 通过在极夜期间进行长时程、绕极飞行，利用地球作为太阳遮罩，实现对北天区的稳定、连续观测。

提出的方法

• 采用双仪器有效载荷：在43 GHz和90 GHz频段工作的相干HEMT极化计，具有高灵敏度和低噪声。
• 集成带大通光率多模热释电探测器和旋转半波片（HWPs）的热释电极化计，工作于95 GHz、145 GHz和245 GHz频段，实现频率匹配的极化成像。
• 通过在方位方向旋转的平台扫描北天区的大部分区域（25%的天球），利用地球的阴影减少热负荷。
• 实现粗略角分辨率（约1.5° FWHM），专为大尺度CMB模式优化，特别是多极数l < 10的B模式信号。
• 在三个频段进行频率复用观测，通过光谱拟合区分CMB信号与极化银河前景。
• 采用低温HEMT放大器和热释电探测器，保持系统低温和高动态范围，以实现精确的极化测量。

实验结果

研究问题

• RQ1 LSPE任务能否探测到原初B模式信号，或在99.7%置信水平下将张量标量比r限制在0.03以内？
• RQ2 LSPE在多个频段上对银河系同步辐射和尘埃发射的大尺度极化地图的精度如何？
• RQ3 在43–245 GHz频段的多频段观测在多大程度上能抑制CMB B模式测量中极化前景的混淆？
• RQ4 长时程、绕极气球任务在实现CMB极化研究所需稳定、连续天区覆盖方面的表现如何？
• RQ5 HEMT与带旋转半波片的热释电极化计的组合在实现高保真、频率匹配的极化测量方面表现如何？

主要发现

• LSPE设计可实现99.7%置信水平下对张量标量比r的灵敏度极限为0.03，显著优于以往约束。
• 该任务将对约25%的天球实现粗略角分辨率（~1.5° FWHM）的观测，聚焦于大尺度CMB极化模式。
• 双仪器方法——43/90 GHz频段的HEMT极化计与95/145/245 GHz频段的热释电极化计——确保所有频段具有相近的角分辨率和最优的前景控制。
• 热释电阵列中使用旋转半波片可调制极化信号，提高灵敏度并降低低频噪声。
• 在极夜期间进行的长时程、绕极气球飞行可实现对北天区的连续观测，热扰动和指向扰动极小。
• 该任务将生成高保真度的银河系极化前景地图，支持对星际磁场和尘埃颗粒取向特性的研究。