Transcript CMBの非等方性による

CMB非等方性による、
インフレーション起源の背景重力波
のもつ偏極成分の検出法
斎藤 俊, 市來 浄與, 樽家 篤史
東京大学 宇宙理論研究室 博士１年
2007.5/29(火) 『宇宙初期における時空と物質の進化』＠東大
arXiv:0705.3701
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背景重力波の観測計画の現状
インフレーション期の詳細を知る：背景重力波の検出！
振幅 ⇔ インフレーション期のエネルギースケール
◆CMB の偏光Bモードによる間接的な検出
◆レーザー干渉計による直接検出
BBO (2020年~?)
DECIGO (2025年～?)
Time order
Planck (2008年3月～)
Clover, Spider (2010年~?)
CMBPOL (2020年～?)
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CMB観測の現状
WMAP3の結果 Page et al (2006)
Bモード検出は観測的に
チャレンジングな問題
TT
TE
TBモード、EBモード
データはほぼ ０
理論予測は０ ⇒ null check
EE
パリティの保存に由来
BB
r = 0.3
大
角度スケール
スカラー(密度揺らぎ)成分⇒自明
テンソル(重力波)成分は？？
小
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重力波のパリティとCMB非等方性
重力波の2つの偏極の自由度 : 左巻き成分(L)と右巻き成分(R)
背景重力波のCMBの角度相関パワースペクトルへの寄与
: 各偏極成分のGWBの原始パワースペクトル
: 光子の分布関数 , Boltzmann方程式に従う
パリティの保存 ⇔ 円偏極がない ⇔
円偏極 ⇔ TB/EBモードが0でなくなる！
TT/EE/BB/TEは変化なし
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背景重力波と高エネルギー物理
背景重力波におけるパリティ保存の仮定は自明か？
◆通常の一般相対論+素粒子標準模型では、自明
◆超弦理論、M理論では自明ではない
Green & Shwarz (84),Witten (84)
(例)Chern-Simon項
重力波の波動方程式
R : Riemann tensor
φ: Inflaton
Alexander et al (2005)
円偏極！
GWBの円偏極成分の検出 ⇔ 標準理論を超えた物理を示唆
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研究内容
◆ Lue et al (1999)を改善
背景重力波の円偏極成分に由来するCMBのTB/EBモード
のパワースペクトルを計算する
特に、宇宙の再イオン化の影響を含める
(CAMB code を修正 Lewis,Challinor,2002)
◆ TB/EBモードのパラメータ依存性を調べる
◆ WMAP3による円偏極成分の制限
Likelihood analysis (COSMOMC codeを修正 )
Lewis&Bridle(2002)
◆ Future forecast
PLANCKと理想的な観測器の場合の検出可能性
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セットアップ
背景重力波(GWB) の円偏極を仮定
重力波のスペクトルの波数依存性は通常のslow-roll
インフレーションと同じとする Alexander et al (2005)
CMB光子に対する2次的な影響
宇宙の再イオン化を考慮
重力レンズ効果は無視できる
fiducial parameters
ΛCDM + tensor + r = 0.1のbest-fit (WMAP3データ)
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TBモードが依存するパラメータ
背景重力波の初期パワースペクトル
●テンソル/スカラー比
●傾き
●円偏極の程度
左巻きのみ
右巻きのみ
円偏極なし
光子の分布関数
●再イオン化までの光学的厚み
c.f. τ～0.09 (WMAP3)
●他のパラメータ依存性は弱い Zhang et al (2006)
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結果: ε依存性 (再イオン化なし)
TBモード(linear)
-1.0
-0.8
0.2
+1.0
1
10
l
100
左
右
1000
εは振幅を変化させるのみ
偏極の向きによって符号が変わる
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結果: τ依存性
TBモード (ε= -1 )(絶対値の対数)
0
0.05
0.10
0.15
1
10
l
100
1000
大角度スケール(l<10)で振幅が桁で大きくなる！
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結果: ｒ 依存性
slow-roll consistency relation を仮定
r と n_T は同時に変化： 振幅と同時に傾きも変化する
TBモード(ε= -1) (絶対値の対数)
0.1
0.3
0.5
1
10
l
100
1000
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結果：全CMBパワースペクトル
fiducial cosmology + (ε= 0.1 )における全CMBパワースペクトル
TT
TE
EE
TB
BB
EB
1
10
l
100
1000
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WMAP3データによる円偏極の制限
Likelihood Analysis
をマルコフ連鎖モンテカルロ法によってパラメータ
推定 (COSMOMC code を修正, Lewis&Bridle(2002))
他の宇宙論パラメータも同時に動かす
TBとEBに対しては
データはWMAP3の結果を用いた (l<17)
TB/EBは2007年1月12日一般公開
(http://lambda.gsfc.nasa.gov/)
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結果:事後確率分布
-1
0
+1
0
+0.5
+1
◆ 円偏極には有用な制限がつかない、(r,ε)の縮退解けず
◆ 他のパラメータはWMAP3とconsistent
◆ r の上限 r < 0.59
c.f. WMAP3 (no TB,EB) r < 0.65
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Future forecast
が将来のCMB観測器でどの程度決まるのか？
そもそも無偏極(ε= 0)の場合と区別できるのか？
◆ PLANCK(2008年開始予定)とcosmic-variance limited
の理想的な観測の場合に関して考察
◆ foregroundのノイズは全て除去できたと仮定
◆ データを理論値そのものとして、WMAP3と同様にMCMC
◆ Likelihood は以下のものを用いる (l < 100)
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Future forecast:結果
r = 0.3
r = 0.1
r = 0.05
◆ 本当の値(横軸)に対して、観測で得られる68%の信頼区間(縦軸)
◆ 赤がPLANCK、黄が理想的な観測器
◆ r が小さいと、十分大きな εが必要
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Future forecast:結果(続)
cosmic variance がなぜ大きいのか？
大まかに見積もると、
cross-correlationなので、TT×BBの項が効く！
※ 分子第一項は、TBがなくても存在する項
したがって、十分大きなεが必要となる！！
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まとめ
円偏極をもつ背景重力波を仮定し、CMBのTB/EB
モードのパワースペクトルを計算した
パラメータ依存性を調べた
CMBへの2次的な効果を考慮、特に再イオン化により
TBモードの振幅は
WMAPのデータを用いて現在の制限
重力波の円偏極成分には有用な制限がつけられない
将来計画での展望
TBモードはcosmic varianceが大きいので、
十分大きなεが必要
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