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Improved CMB map from WMAP data. Liu Hao & Li Ti-Pei. 背景简介. 威尔金森宇宙微波各向异性探测器( Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, WMAP) 是一颗用来探测微波背景辐射( Cosmic Microwave Back-ground , CMB )各向异性的卫星,于 2001 年发射升空, 2003 年发布第一批测量数据,为当代宇宙学带来了巨大的影响。 各向异性探测 功率谱测量 与宇宙学模型的耦合. 物理图像. CMB 为黑体辐射,基本上各向同性。 - PowerPoint PPT Presentation
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Improved CMB map from WMAP data
Liu Hao & Li Ti-Pei
背景简介• 威尔金森宇宙微波各向异性探测器( Wilkinson
Microwave Anisotropy Probe, WMAP) 是一颗用来探测微波背景辐射( Cosmic Microwave Back-ground , CMB )各向异性的卫星,于 2001 年发射升空, 2003 年发布第一批测量数据,为当代宇宙学带来了巨大的影响。
• 各向异性探测• 功率谱测量• 与宇宙学模型的耦合
物理图像
CMB 为黑体辐射,基本上各向同性。很小的各向异性:( dT/T<0.01% ,宇宙学含义……)。dI/dT≈常量。故可通过 dI 来计算 dT 。WMAP 测量的实际上是辐射强度 I ,但I 绝大部分来自 CMB 的各向同性分量( 2.7K ),所以 WMAP 采用差分观测以抵消各向同性分量,达到放大各向异性分量的目的。同时也能在一定程度上降低系统误差。
WMAP 工作频段: 23 、 33 、 41 、 61 、94 GHz
141 度+ -
探测原理
微波信号
WMAP 单次测量的结果简写为:
D = T+ - T-
但实际上应该是:
D = G (du+ - du-) + B
数据按时间顺序记录为文件,称为TOD ( Time Order Data)
TOD 需通过校准来确定增益 G 和基线 B 。
校准原理太阳系运动会引发多普勒效应,造成 CMB 信号的频率偏移。
但 WMAP 并不是一个频率探测器,它记录的是辐射强度。多普勒效应在这里实际上是通过光子能量公式生效的。
由 WMAP 的物理图像有 dI/dT≈ 常量,即:
即,温度扰动中包含了一个可做为校准源的多普勒分量。•该分量可以由 WMAP 卫星的运动完全确定。•比 CMB 各向异性高 1 ~ 2 个数量级。
c
Vs
hE
c
V
I
I s
nA
nB
Vi
制图原理HEALPix 球面划分方案首先将球面分成等面积的 12 份( R=1 )将每一份再分成 4 等份( R=2 , R=3… )Nside 参数: Nside=2R
Npix 参数: Npix=12×(Nside)2
该方案优点:•每小份具有相同的面积。•在各个方向上的一维分辨率十分接近。
•等纬度特征:所有点位于 2×Nside– 1 个纬度环上。
•可以方便地将二维点阵写成一维序列。•对应的一维序列可以简单快速地转换分辨率(如下)。
1
1 2 43
2
5 6 87
3
9 10 1211
4
13 14 1615
WMAP 记录的是两天线的温度差,但我们真正感兴趣的是 CMB 温度相对 2.73K 的偏移在全天的分布。所以有必要将温度差通过制图方法转变成温度偏移的分布图。操作原理:通过迭代逐步求得对温度偏移的估计。
•首先设全天所有点的温度偏移为 0 。•任取一点 P,对涉及 P的所有差分观测求和:•迭代求解。
需要考虑的其它因素:•差分数据标志位。•卫星多普勒效应。•天线非平衡修正。•银道面前景隔离。•基线重矫正。•大量的其它细致修正
制图原理
i
iPi
iSi TTND)1(
iPi TTD
制图结果
高难度测量:数据的极度浓缩• 很小的各向异性:( dT/T<0.01% )• 很高的噪声( S/N ~ 1/1000 )• 各种干扰因素几乎都大大强于欲测信号• 六步数据浓缩:
– Map-making ,多次测量的平均值– 多年数据累计– 多波段综合– 全天球谐函数积分( Ylm )– 球谐函数系数的m参数缩并– 球谐函数系数的 l参数并道– 近千亿次测量最后浓缩到 43 个有效的功率谱数据( 1010:1 )
最近工作的背景• 我们发现WMAP 数据中可能存在两类系统
误差。
Two items in the difference:
1. ~Average temperature in a scan ring (Liu & Li, arxiv: 0809.4160)
2. ~dN (Li et al., arXiv:0905.0075)
重新制图的尝试• 磁盘空间需求:
– 原始数据: 150 GB左右– 解开后: 200 GB左右– 预处理后得到的数据: 340 GB– 以上仅为已校准过的非偏振数据– 若处理偏振数据,则还需要额外的 500 ~ 600 GB– 若处理未校准数据,则以上需求全部翻倍– 不同的制图模式还会带来额外的磁盘空间需求
• 内存需求:– 单线程单年温度图: 3 ~ 7 GB– 单线程 5 年温度图: 15 ~ 35 GB– 多线程:相应翻倍
• 运算时间需求:– 未优化前:生成全套map 需要 2 ~ 4 年– 优化后:视运行模式,慢则 15 ~ 20 天,快则 2 ~ 4 天。
制图结果对比
第一个重要结果:四极矩的大幅度下降
1、四极八极耦合消失。
2、用 cosmic variance 解释四极矩的降低变得更加牵强。
第二个重要结果:高阶功率谱显著下降
一眼就能看出的结论:重子物质密度应该有所上升
• 新的宇宙学参数:和别的实验符合得更好
功率谱和 BOOMRANG 及前WMAP 结果的对比
展望• 眼下的我们也许离真正的精确宇宙学尚有相当距离
• 宇宙究竟是怎样的?• LCDM 模型是否能经受住考验?• 是否还有未知的新物理?
• 谢谢!