CMB 観測の現状と展望

第2回松江現象論研究会
CMB観測の現状と展望
市來淨與（名古屋大学 KMI）
Outline
●
導入
–
–
●
B-mode偏光観測の現状
–
–
●
BICEP2 (背景重力波)
SPTPol, POLARBEAR (重力レンズ)
議論
–
●
CMB stats
背景重力波とCMB偏光について
新しい物理 or New systematics
展望とまとめ
THE CMB: stats
(1) 晴れ上がり期 (z=1087) からのビッグバン残光
We can only see
the surface of the
cloud where light
was last scattered.
from wmap.gsfc.nasa.gov
THE CMB: stats
(2) T=2.725の黒体輻射
COBE
COBE FIRAS data (Fixsen et al., ApJ, 1996)
THE CMB: stats
(3)
の温度揺らぎ
WMAP
Penzias and Wilson (1965)
Planck collaboration (2013)
宇宙モデルの決定
暗黒物質多め
標準宇宙
通常物質多
暗黒物質多
細かい揺らぎ多
光学的厚さ大
ns 大きめ
波の成分
に分解
物質多め
τ(光学的厚さ)大きめ
波長長い　波長短い
宇宙モデルの決定
暗黒物質多め
標準宇宙
通常物質多
暗黒物質多
細かい揺らぎ多
光学的厚さ大
PLANCK
ns 大きめ
波の成分
に分解
物質多め
τ(光学的厚さ)大きめ
µacoustic = 0:596724± § 0:00038±
波長長い　波長短い
標準宇宙モデルの決定
Planck collaboration 2013
バリオン密度
CDM密度
ピーク位置
再イオン化
初期揺らぎ巾
振幅
宇宙の大きさ
・ダイナミクス
宇宙物理
初期揺らぎ
バリオン密度
CDM密度
ピーク位置
再イオン化
初期揺らぎ巾
振幅
ダークエネルギー
質量分散＠8Mpc
再イオン化時期
ハッブル定数
ヘリウム割合
宇宙年齢
THE CMB: stats
(4)
BICEP2
level の偏光ゆらぎ
WMAP 7yr result
BICEP2 2014
THE CMB: stats
(5) Gaussian statistics
PLANCK
History of the expanding universe
(past)
time
inflation
～秒
QCD- PT
10^15 GeV(?)
200 MeV
BBN
1-0.01 MeV
３８万年
138億年
recombination
today
1 eV
2.7K
Thermal equilibrium
q; g; ¹; º; e§
(CMB)
p; e; °
º
(C B)
(背景重力波)
インフレーションからの重力波
●
重力波の方程式 (Einstein eq.)
–
masslessスカラー場と同じ形
2
k
Ä +;£ + 3H h_ +;£ + h+;£ = 0
h
a2
Mpl
Á ´ p h+;£
2
●
L = Mpl R
1
L = ¡ g¹º @¹ Á@º Á ¡ V (Á)
2
ド・ジッター時空での解は
e¡ik´
Á = ¡p
(i ¡ k´)
3
a´
2k
1
k3 2 ®
PÁ (k) =
jÁj =
2
2¼
µ
H
2¼
´=¡
¶2
1
aH
振幅はインフレーションの
エネルギースケールで決まる
背景重力波とCMB
●
重力波がCMBに与える影響
–
–
●
gravitational redshift (Sachs & Volfe, ApJ, 1967)
distinct polarization pattern (Polnarev, SvA 29, 1985)
背景重力波をどう記述する?
–
新しい宇宙論パラメタ r を導入
●
“r”=(tensor mode)/（scalar mode）
Vinf
³ r ´
¡
¢
4
¼ 2 £ 1016 GeV
0:12
CMBを観測 --> rに制限
背景重力波からの温度揺らぎ
重力波の
初期スペクトル
晴れ上がり時（t=38万年）の地平線
重力波由来の温度揺らぎは大角度スケールに影響がある
温度揺らぎ　から制限
(Arxiv 1303.5076, PLANCK)
r < 0:11
r < 0:26
Outline
●
導入
–
–
●
B-mode偏光観測の現状
–
–
●
BICEP2 (背景重力波)
SPTPol, POLARBEAR (重力レンズ)
議論
–
●
CMB stats
背景重力波とCMB偏光について
新しい物理 or New systematics
展望とまとめ
Polarization of CMB photons
●
¦°
四重極温度揺らぎ　とトムソン散乱で生成
●
¦
°
のソースの違いによって偏光のパターンに違い
–
E- & B-mode (Seljak, ApJ, 1996; Kamionkowski+, PRL, 1997)
●
E-mode 検出 … DASI (Kavoc+, Nature, 2002)
●
TE-相関による検出
●
●
… WMAP (Kogut+, ApJS, 2003)
Lensing-B mode 検出 … SPTpol (Hanson+, PRL, 2013)
& PolarBear (Ade+, PRL, 2014)
B-mode detection on degree scales … BICEP2
(Ade+, PRL, 2014)
散乱光は偏光している
Generation of polarization
●
●
No polarization without
temp. anisotropy
Quadrupole is the
source
Quadrupole
Temperature
anisotropy
C
H
H
C
Credit: W. Hu
direction of pol.
Polarization 'Pattern'
(inspired by E.Komatsu)
●
Scalar-type ：四重極 = 自由電子が''見る''速度場の勾配
Density perturbation （gravitational potential）
~
`
Polarization 'Pattern'
(inspired by E.Komatsu)
●
Scalar-type ：四重極 = 自由電子が''見る''速度場の勾配
Density perturbation （gravitational potential）
~
`
Velocity field
Polarization pattern
偏光の向き … フーリエモードの波数ベクトルに対して垂直 or 平行
Polarization 'Pattern'
●
Tensor-type：重力波が直接作る
Amplitude of GWs
~
k
Quadrupole of photons
h£
偏光
h£
偏光の向き … フーリエモードの波数ベクトルに対して傾く
偏光観測：ストークス (Q,U)
x2
x2
Q=
-
U=
x1
●
●
x1
Q,U は座標系に依存する
フーリエ展開した際の波数ベクトルを x1 にとったときの
QをE-mode, UをB-modeと呼ぶ(座標に依らない)
If you have only the E-mode...
●
is
in the coordinate system such that
If you have only the E-mode...
●
is
in the coordinate system such that
If you have only the E-mode...
●
is
in the coordinate system such that
If you have only the E-mode...
●
is
in the coordinate system such that
superposition of the modes
Planck collaboration 2013
If you have only the E-mode...
●
is
in the coordinate system such that
superposition of the modes
If you have only the B-mode...
●
is
in the coordinate system such that
superposition of the modes
Note: sign convention matched to R. Durrer's text book
from GWs
散乱による等方化
重力波からの
温度揺らぎ
偏光揺らぎ
・
（重力波）
（光子分布の四重極）
・大角度スケールは自由電子とのタイトカップリングで抑制
・
は
にピーク
Outline
●
導入
–
–
●
B-mode偏光観測の現状
–
–
●
BICEP2 (背景重力波)
SPTPol, POLARBEAR (重力レンズ)
議論
–
●
CMB stats
背景重力波とCMB偏光について
新しい物理 or New systematics
展望とまとめ
BICEP2 at the South Pole
3yr observation '10-'12 from the SP
500 detectors, 150GHz band
Aperture 26.4 cm (resolution 12min)
sensitivity 5.2 μK・arcmin
(Planck ～60μK・arcmin)
FoV 383.7 sq. deg.
Get it?(Seljak&Zaldarriaga, PRL, '97, '98)
How impressive!
Another B-mode source – CMB lensing
“そんな観測は現時点では夢物語だが、、、
将来的にはこの効果は検出されるだろう”
(Blanchard & Schneider, 1987)
CMB lensing
●
Deflection angle by lenging
® » 2Á £
grav. potential
●
r
®
14000
» 20
300
T (^
n + ®)
T (^
n)
# of scattering
coherent over
300=(14000=2) » 2±
（=CMB peak scale）
Distance to CMB
» 14000Mpc
Large scale structure » 300Mpc @z=2
(dark matter)
TO SEE IS TO BELIEVE
Image credit: erlyuniverse.org
B-mode polarization from lensing
●
重力レンズは視線の変化
重力レンズによる
位置の変更
晴れ上がり時のCMB偏光
観測されるCMB偏光
E-mode + 重力レンズ
B-mode生成
(see e.g., Lewis & Challinor, 2006)
B-mode indirect detection --- SPTPol
7:7¾
SPTpol E-mode
Herschel (500μm):
Lensing map alternative
B-mode prediction
And correlate this map
With observation
Hanson et al., PRL111, '13
B-mode detection POLARBEAR
(POLARBEAR collaboration, ApJ794, 2014)
Outline
●
導入
–
–
●
B-mode偏光観測の現状
–
–
●
BICEP2 (背景重力波)
SPTPol, POLARBEAR (重力レンズ)
議論
–
●
CMB stats
背景重力波とCMB偏光について
新しい物理 or New systematics
展望とまとめ
tension 1: r=0.2?
偏光データはまだ見せられないけど、
標準宇宙モデルを仮定すれば r は
r . 0:11 (95%)
点線：r=0.2
だね。だって、大角度スケールに
温度揺らぎがあまりないからね。
実線：r=0
Planck衛星 2013
Smith+, 1404.0373
rは
r = 0:2+0:07
¡0:05
点線：r=0.2
だね。標準宇宙モデルはちょっと
都合悪いね。。。
実線：r=0
BICEP2 2014
many papers
tension 2：ハッブル定数
CMB観測は
小さいH0を予言
Planck 2013 results
tension 3 ：　近傍の揺らぎの大きさ
近傍宇宙はCMB観測
から予測されるより
密度揺らぎが小さい
Planck 2013 results
tension 4 :
再イオン化時期
Robertson et al., ApJ768, 2013
遠方銀河の紫外線を足し上げても
再イオン化時期が間に合わない
Many ideas
●
Running spectral index (BICEP2+)
●
Massive neutrinos (Dvorkin+, Zhang+)
●
Correlated iso-curvature (Kawasaki+)
●
Blue gravitational waves (Gerbino+)
●
Modified P(k) (Hazra+,Abazajian+)
●
Correlated Scalar&Tensor(Contaldi+,Zibin+,Emami+)
●
Vector modes (Saga,Shiraishi,KI; JCAP, 2014)
●
Foreground (Liu+, Mortonson+, Flauger+)
●
Delayed scaling string (Kamada+)
●
Local void model (KI, Yoo, Oguri)
●
...
New Physics
New systematics
massive neutrino
重力波は大角度に温度揺らぎを足す（but they are not observed）
より「青い」初期スペクトルを考えて大角度の揺らぎを抑え、ニュートリノを一つ増やして
小角度の揺らぎを抑える Dvorkin+, PRD90, 2014
Figure by W. Hu
massive neutrino
重力波は大角度に温度揺らぎを足す（but they are not observed）
より「青い」初期スペクトルを考えて大角度の揺らぎを抑え、ニュートリノを一つ増やして
小角度の揺らぎを抑える Dvorkin+, PRD90, 2014
Figure by W. Hu
Foreground issue
For a concise review, see K. Ichiki, PTEP, 2014
thermal dust (news from Planck) 1
●
●
●
Polarized perpendicular to
the projected field lines
Possible correlation with
synchrotron (Page et al., ApJS, '07)
Polarization deg. as high as
WMAP:
(outside p06 mask)
(Kogut et al., ApJ, '07)
Archeops :
(Benoit et al., A&A, '04)
(Planck collaboration, arxiv:1405.0871 )
thermal dust (news from Planck) 2
(Planck collaboration, arxiv:1409.5738 )
Dust contrib. to the BICEP2 field
The dust spectrum is
totally consistent with
the BICEP2 data
(Mortonson&Seljek
arxiv:1405.5857)
The dust power spectrum at the BICEP2
sky estimated by PLANCK 353 GHz
(Planck collaboration, arxiv:1409.5738 )
arxiv: 1410.8139
Local void?
K-band luminosity density (Keenan+, ApJ '13)
●
(KI et al., to be submitted)
近傍宇宙がvoidになっている可能性
8
– ¾　の減少
–H
0
の増加
Local void?
PLANCK
PLANCK+SZ Cluster
(KI,Yoo,Oguri, to be submitted)
Local void?
PLANCK
PLANCK+SZ Cluster
Void modelによる
を合わせると自動的に　が合う
(KI,Yoo,Oguri, to be submitted)
Outline
●
導入
–
–
●
B-mode偏光観測の現状
–
–
●
BICEP2 (背景重力波)
SPTPol, POLARBEAR (重力レンズ)
議論
–
●
CMB stats
背景重力波とCMB偏光について
新しい物理 or New systematics
展望とまとめ
M. Hazumi氏のスライドより
CMB 将来計画
●
初期重力波によるB-mode 偏光
–
–
●
●
Better sensitivity, wider sky, more frequencies...
Spider(2014-), EVEX(2014-), QUIET, PolarBeaR,
SPTPol,ACTPol, QUIJOTE(2014-), PLANCK(-2014)
LiteBird(?), COrE(?), EPIC(?), … and more!
Spectrometer
–
PRISM(?), PIXIE(?)
–
前景放射理解、銀河団物理、cosmic web、初期宇宙、...
21cm線
21cm cosmology
●
●
中性水素の超微細構
造遷移(1.4GHz)
小さなoptical depth
–
●
放射
遠方まで観測可能
宇宙の熱史( z . 100 )
吸収
CMBを背景光として用いる
21cm cosmology
●
高赤方偏移, 大容量
–
–
2D(CMB) vs 3D(21cm)
素直で豊富な情報
●
重力波
Masui&Pen, PRL, 10
r » 10¡6
●
非ガウス性
Cooray, PRL, 06
fNL . 0:01
●
ニュートリノ質量
X
(Oyama+, PLB, 13)
mº » 0:05eV
SDSS
EoR
CMB
まとめ
●
B-mode偏光観測時代が始まった
–
背景重力波・重力レンズ効果
理論予想どおり
ダストによる影響か？
●
標準モデルに若干のテンションあり
–
●
来月Planckの偏光のデータリリース
–
今日お話したことが無駄にならないことを祈ります。

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