[论文解读] Tibet's Ali: A New Window to Detect the CMB Polarization

Yongping Li, Yang Liu+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 25, 2017

Geophysics and Gravity Measurements被引用 6

一句话总结

本文评估了西藏阿里站点作为探测宇宙微波背景（CMB）B模式极化的地面首选位置，证明其大气极度干燥（海拔5250米处中位数PWV ≈ 1.0 mm，海拔6000米处≈0.6 mm），且天空覆盖条件优越。研究确立了AliCPT-1与AliCPT-2为可行且互补的北半球CMB实验，具有较低的前景污染，使阿里成为与南极和阿塔卡马并列的关键站点，用于原初引力波探测。

ABSTRACT

The Cosmic Microwave Background (CMB) Polarization plays an important role in current cosmological studies. CMB B-mode polarization is the most effective probe to primordial gravitational waves (PGWs) and a test of the inflation as well as other theories of the early universe such as bouncing and cyclic universe. So far, major ground-based CMB polarization experiments are located in the southern hemisphere.Recently, China has launched the Ali CMB Polarization Telescope (AliCPT) in Tibetan Plateau to measure CMB B mode polarization and detect the PGWs in northern hemisphere. AliCPT include two stages, the first one is to build a telescope at the 5250m site (AliCPT-1) and the second one is to have a more sensitive telescope at a higher altitude of about 6000m (AliCPT-2). In this paper, we report the atmospherical conditions, sky coverage and the current infrastructure associated with AliCPT. We analyzed the reanalysis data from MERRA-2 together with radiosonde data from the Ali Meteorological Service and found that the amount of water vapor has a heavy seasonal variation and October to March is the suitable observation time. We also found 95/150 GHz to be feasible for AliCPT-1 and higher frequencies to be possible for AliCPT-2. Then we analyzed the observable sky and the target fields, and showed that Ali provides us a unique opportunity to observe CMB with less foreground contamination in the northern hemisphere and is complementary to the existed southern CMB experiments. Together with the developed infrastructure, we point out that Ali opens a new window for CMB observation and will be one of the major sites in the world along with Antarctic and Atacama.

研究动机与目标

• 评估西藏阿里站点在地面CMB极化实验中的大气条件。
• 基于可降水水汽（PWV）和天空覆盖情况，确定最佳观测窗口。
• 评估在95/150 GHz（AliCPT-1）和更高频率（AliCPT-2）进行多频段CMB观测的可行性。
• 将阿里站点的观测优势与现有南半球CMB站点（如南极点和阿塔卡马）进行比较。
• 确立阿里作为通过CMB B模式极化探测原初引力波的互补性高潜力站点。

提出的方法

• 利用MERRA-2再分析数据和高空气球探测数据，估算阿里站点的季节性可降水水汽（PWV）。
• 计算大气透射率和亮度温度发射，以评估水汽引起的信噪比退化。
• 利用Planck 2015年尘埃发射数据（545 GHz）建模可观测天空区域及前景污染。
• 评估液态水路径（LWP）和冰水路径（IWP），以评估大气条件。
• 对比多个CMB站点（包括南极点、阿塔卡马和Dome A）的天空覆盖情况与观测窗口。
• 评估阿里CPT-1与AliCPT-2的基础设施与后勤支持，包括交通、供电与通信条件。

实验结果

研究问题

• RQ1 阿里站点的可降水水汽（PWV）季节性变化如何？最佳观测窗口是什么时间？
• RQ2 阿里站点在毫米波段的透射率与发射特性如何随频率变化？哪些频段适用于AliCPT-1与AliCPT-2？
• RQ3 AliCPT的可观测天空覆盖范围是多少？与现有南半球CMB实验相比，其在低前景污染区域的可及性如何？
• RQ4 阿里站点在多大程度上为现有CMB实验（尤其是北天银河系区域）提供了互补的天空覆盖？
• RQ5 阿里站点的大气条件与基础设施与南极点、阿塔卡马和Dome A等领先CMB站点相比如何？

主要发现

• 阿里CPT-1站点（海拔5250米）的中位数PWV约为1.07 mm，最佳观测窗口为10月至次年3月，适合95/150 GHz观测。
• 在更高海拔的阿里CPT-2站点（6000米），中位数PWV降低至0.62 mm，使更高频段的观测成为可能。
• 阿里站点可完整覆盖北天银河系区域，并部分覆盖南天银河系区域，包括低尘埃区域TN1、TN2和TS，前景亮度温度介于10.0 μK_RJ与1.0×10⁴ μK_RJ之间。
• AliCPT的可观测天空比例为70%，显著高于南极点（20%），与阿塔卡马（80%）相当，但其在北半球的覆盖具有互补性。
• 该站点前景污染低且大气条件优越，使其成为通过CMB B模式极化探测原初引力波的理想选择。
• AliCPT在后勤上切实可行，具备供电、互联网与航空通道等基础设施，有望成为与南极和阿塔卡马并列的重要未来CMB天文台。