2022 Fiscal Year Research-status Report
宇宙マイクロ波背景放射を用いた原始重力波検証における高次相関関数の解析手法の確立
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22K03682
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
並河 俊弥 東京大学, カブリ数物連携宇宙研究機構, 特任助教 (80708511)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | 宇宙マイクロ波背景放射 / 重力レンズ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本課題では、宇宙マイクロ波背景放射 (Cosmic Microwave Background, CMB) 観測で得られる「Bモード」と呼ばれる渦状の偏光パターンの統計解析手法について研究を行う。初年度は、宇宙初期のインフレーションにより生成された原始重力波の観測精度を上げるための手法である delensing に関する研究を行った。ここで delensing とは、原始重力波観測の際にノイズ源となる重力レンズ由来の B モード偏光の寄与を除く手法を指す。特に LiteBIRD を想定し、複数の観測を組み合わせた場合について研究を行った。このとき、各々の観測領域が異なることで delensing の効率が領域ごとに異なり、 原始重力波に対する制限の改善度合は解析的に求められず非自明であった。そこで本年度は、CMB 観測から得られる赤外線背景放射、Euclid, LSST といった将来の銀河サーベイから得られる銀河の数密度分布、さらに地上の CMB 観測である CMB-Stage-4 を想定し、これらをすべて組み合わせた場合に delensing によって原始重力波の制限がどの程度改善するかシミュレーションを用いて求めた。その結果、delensing により重力波の振幅に対して 20% 程度の改善が見込めることを示した。また、LiteBIRD のデータを用いたさいに重力レンズマップを観測することができるため、このシグナルを用いた宇宙論への応用に関しても研究を行った。これらの成果は LiteBIRD コラボレーションの論文として発表される予定である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本課題では、高度データ解析手法の確立とCMBデータ解析を通して、宇宙論・基礎物理学の基礎理論を検証していく。本課題では特に、CMB観測で得られる「Bモード」と呼ばれる渦状の偏光パターンの統計解析手法に焦点を当てる。初年度は、原始重力波の観測精度を上げるための手法であるdelensingに関して研究した。特に観測領域が異なる場合でのdelensing効率の研究を行った。これはLiteBIRDのデータを用いてdelensingを行うさいに重要となるため、 LiteBIRD を想定したシミュレーションを用いた。Planck, LiteBIRD から得られる赤外線背景放射、Euclid, LSST から得られる銀河の数密度分布を想定し、LiteBIRD での delensing 効率を求め、原始重力波を制限するうえ delensing によってどの程度振幅に対する制限が改善するか調べた。また、LiteBIRDのデータを用いたさいに重力レンズマップを観測することができるため、この宇宙論への応用についても調べた。これらは LiteBIRD コラボレーションの論文として執筆し終えた。一つは delensing に関する論文であり、もう一本は重力レンズ効果測定に関する forecast の論文である。これらは現在コラボレーション内でレヴューされており、数か月以内にはジャーナルに投稿予定である。また、上記のような当初の計画以外にも新たなアイデアによって論文を執筆することができた。例えば、CMBの重力レンズは現在から光源である最終散乱面までの重力ポテンシャルを積分した量として与えられるため、銀河の重力レンズのように赤方偏移方向の情報は得られにくい。そこで、銀河数密度などを用いて低赤方偏移部分の重力レンズ・テンプレートを求め、それを差し引く（ある種の"delensing"）ことで高赤方偏移だけの情報を取り出すという方法を考案した。この方法により、低赤方偏移部分がもつ重力非線形成長や暗黒エネルギーのモデルの不定性を除いて宇宙論パラメータの制限が可能となる。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後も、本研究課題の目的であるBモード偏光を用いた統計解析手法ついて研究していく予定である。当初の計画ではBモード偏光のバイスペクトルに着目した原始重力波の制限を行う予定であったが、前景放射の不定性や装置由来の系統誤差がネックとなることが分かってきた。実際 BICEP3のシミュレーションや実データを用いて調べたところ、 null test がパスしないことから何かしらの装置由来の系統誤差が起因して正確なBモード・バイスペクトルの測定を困難にしていることが分かった。そこで今後は、Bモード・バイスペクトルとは異なる観測量を試す予定である。特にBモードと大規模構造の観測量（CMBの重力レンズ、銀河数密度など）の相互相関バイスペクトルを用いた原始重力波探査に焦点を当てる。原始重力波のBモードは重力レンズを受けており、この相互相関バイスペクトルは原始重力波と重力レンズ・パワースペクトルの積としてかける。したがって、このバイスペクトルから原始重力波の制限が可能となる。この観測量であれば前景放射の影響を受けにくく、さらに装置由来の系統誤差によるバイアスもなくなる。今後は、シミュレーションを用いて、この方法によりどの程度原始重力波が制限できるか調べていく。
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