[论文解读] The Scientific Programme of Planck

The Planck Collaboration|arXiv (Cornell University)|Apr 4, 2006

Cosmology and Gravitation Theories被引用 59

一句话总结

本文概述了普朗克空间任务的科学目标，该任务旨在以前所未有的灵敏度和角分辨率，在多个频段对宇宙微波背景（CMB）进行测绘。通过测量温度和极化各向异性的变化，普朗克旨在提取几乎全部可用的宇宙学信息，包括对基础物理、暴胀引力波以及早期宇宙热历史的约束。

ABSTRACT

For 40 years, the cosmic microwave background (CMB) has been the most important source of information about the geometry and contents of the Universe. Even so, only a small fraction of the information available in the CMB has been extracted to date. Planck, the third space CMB mission after COBE and WMAP, is designed to extract essentially all of the information in the CMB temperature anisotropies. Planck will also measure to high accuracy the polarization of CMB anisotropies, which encodes not only a wealth of cosmological information but also provides a unique probe of the thermal history of the Universe during the time when the first stars and galaxies formed. Polarization measurements may also detect the signature of a stochastic background of gravitational waves generated during inflation, 10^(-35) s after the Big Bang. This book describes the expected scientific output of the Planck mission, both cosmological and non-cosmological. Chapter 1 summarizes the experimental concept and the operation of the satellite. Chapter 2 covers the core cosmological science of the mission, describing the measurements that Planck will make, what we expect to learn from them about the geometry and contents of the Universe and about fundamental physics, and the combination of CMB data with other data to provide additional insights. Although the primary goal of Planck is cosmology, it will survey the whole sky with an unprecedented combination of frequency coverage, angular resolution, and sensitivity, providing data valuable for a broad range of astrophysics. Chapters 3, 4, and 5 describe non-cosmological astrophysical uses of the Planck data. This book can also be downloaded directly from http://www.rssd.esa.int/Planck .

研究动机与目标

• 从宇宙微波背景（CMB）的温度和极化各向异性的测量中提取几乎全部宇宙学信息。
• 通过CMB极化探测宇宙第一代恒星和星系形成时期的热历史。
• 通过B模式极化探测在暴胀期间产生的原初引力波的随机背景。
• 通过高灵敏度和多频段覆盖的全天巡天，推动宇宙学之外的广泛天体物理科学研究。
• 将普朗克数据与其他观测数据集相结合，以改进对宇宙学参数和基础物理的约束。

提出的方法

• 利用在毫米和亚毫米波段工作的空间望远镜对整个天空进行观测。
• 采用多频段（30–857 GHz）的高灵敏度热释电探测器测量CMB各向异性的变化。
• 对CMB的E模式和B模式极化进行高精度测量，以探究早期宇宙物理。
• 应用先进的校准和数据处理技术，以最小化系统误差并最大化信号保真度。
• 利用多频段观测分离CMB信号与银河系及河外前景发射。
• 将普朗克数据与外部数据集（例如WMAP、大尺度结构巡天）相结合，以增强宇宙学约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 从普朗克的CMB测量中推断出的宇宙学参数（如哈勃常数、物质密度和宇宙曲率）的精确值是什么？
• RQ2 CMB的B模式极化能否揭示来自宇宙暴胀的原初引力波背景？
• RQ3 CMB极化数据如何约束再电离时期宇宙的热历史？
• RQ4 在普朗克全天巡天中，除宇宙学外，还能探测和表征哪些天体物理源（如星系、星系团、尘埃）？
• RQ5 多频段观测如何实现CMB信号与银河系及河外前景的精确分离？

主要发现

• 普朗克的设计使其能够以接近理论最优的灵敏度测量CMB温度各向异性的变化，从而提取几乎全部可用信息。
• 高精度的极化测量将有助于探测再电离的印记，并对再组合光学深度施加约束。
• 该任务有望探测到原初引力波背景，或对其设定强有力的上限。
• 具有多频段覆盖的全天巡天使银河系和河外源的详细表征成为可能。
• 普朗克与其他任务数据的结合将显著改善对宇宙学参数和基础物理的约束。
• 该任务的设计确保了其在高动态范围和高灵敏度下，既能推进宇宙学研究，也能推动非宇宙学天体物理科学的发展。