宇宙泛星系偏振背景成像

宇宙泛星系偏振背景成像（英文：Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization，縮寫：BICEP）是一系列宇宙微波背景實驗，專注於測量宇宙微波背景輻射的偏振，特別是B模偏振。該系列實驗所使用的望遠鏡分為三代，分別為BICEP1、BICEP2與凱克陣列（簡稱BICEP2）、BICEP3。第三代望遠鏡BICEP3正在興建，預計於2014年暑期竣工。

宇宙泛星系偏振背景成像（BICEP）
用顯微鏡檢視BICEP2探測器陣列。
基本資料
位置南極
坐标89°59′59″S 0°00′00″E
望遠鏡型式射電望遠鏡
口徑0.25 米
哈佛－史密松天体物理中心
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任務目的與團隊組成
緊接著大爆炸就發生的宇宙暴脹是超光速的空間膨脹，因此可能會產生可觀測到的引力波。[1][2][3]

BICEP實驗的目的主要是測量宇宙微波背景的偏振輻射，[4]特別是B模偏振。[5]BICEP實驗室位於阿蒙森-斯科特南極站。經過多年作業，它的各種儀器已詳細勘測在南天極附近的天空。[4][6]

操作實驗的各個團隊來自於以下研究機構：[7][8][9][10][5]

BICEP望遠鏡的主要性質
望遠鏡開始結束頻率分辨率傳感器（像素）參考來源
BICEP120062008100 GHz0.93°50 (25)[4][5]
150 GHz0.60°48 (24)[4]
BICEP220102012150 GHz0.52°500 (250)[11]
凱克陣列20112011150 GHz0.52°1488 (744)[12][6]
201220122480 (1240)
2013—1488 (744)[12]
100 GHz992
BICEP32013—95 GHz0.37°2560 (1280)[13]

BICEP1

第一代BICEP望遠鏡觀察天空中波頻分別為100、150 GHz（波長分別為3 mm與2 mm）的微波，角分辨率分別為1.0、0.7 度。 它的陣列由98個探測器組成，其中50個為100 GHz，另外48個為150 GHz。它們都可以觀察到宇宙微波背景的偏振輻射；每一個觀察偏振輻射的像素由一對探測器構成。這台望遠鏡是未來更具功能的望遠鏡的雛型；2006年1月開始運轉，直到2008年底除役為止。[5][4]

BICEP2
位於阿蒙森-斯科特南極站的暗區實驗室（dark sector laboratory，DSL）；左邊是南極望遠鏡，右邊BICEP2望遠鏡。

第二代BICEP望遠鏡的特色是大幅改良的焦平面陣列（focal plane array）；這陣列含有512個傳感器（256像素），每一個傳感器都是輻射熱測量計；它觀察波頻為150 GHz的微波。這台孔徑為26cm的望遠鏡取代了BICEP1望遠鏡；它運作於2010年至2012年之間。[14] [11][15]

2014年3月17日，哈佛－史密松天体物理中心發言人報告，BICEP2望遠鏡探測到早期宇宙的引力波所形成的B模偏振。[1][2][3][16][11][1][2][3][16]張量-標量比率[註 1]為r = 0.20+0.07
−0.05，不支持零假設（r = 0），統計顯著性為7個標準差（減除前景貢獻後，5.9個標準差）。[11]

可是，BICEP2團隊於6月19日在《物理評論快報》發佈的論文承認，觀測到的信號可能大部分是由銀河系塵埃的前景效應造成的，對於這結果的正確性持保留態度。[18][19][20]必須要等到十月份普朗克數據分析結果發佈之後，才可做定論。[21]。2015年1月30日，研究團隊承認對於資料的判讀錯誤，觀測到的信號無法排除掉銀河系輻射塵埃的影響，不足以證實這項結果就是早期宇宙的引力波所形成的B模偏振。[22]

凱克陣列
位於馬丁‧龐漠讓斯天文台的凱克陣列。

在BICEP望遠鏡附近的馬丁‧龐漠讓斯天文台（Martin Pomeranz Observatory），有一個先前安裝了度角尺度干涉儀的望遠鏡架，但自從度角尺度干涉儀除役後，就空著未被使用。凱克陣列就是建造在這個較大尺寸的望遠鏡架。

凱克陣列由五個探測器組成，每一個探測器的設計都與BICEP2類似，但採用脈管製冷機（pulse tube refrigerator）技術，而不是使用大型液態氦低溫貯存杜瓦瓶（cryogenic storage dewar）。

最早運作的三個探測器在2010至2011年的南半球夏季開始進行觀察。另外兩個在2012年開始觀察。直到2013年為止，所有探測器的操作波頻都在150 GHz；2013年，其中兩個探測器的操作波頻改為100 GHz的微波。[12]每一個探測器裏面有一個折射望遠鏡，維持在4 K低溫，以及一個焦平面陣列；該陣列含有512個傳感器（256像素），每一個傳感器都是維持在250 mK低溫的輻射熱測量計。凱克陣列總共有2560個傳感器。[6]

這項計畫的2,300,000美元經費來自於威廉‧凱克基金（W. M. Keck Foundation）和國家科學基金會等機構。[5]

BICEP3

在2012年凱克陣列建成後，繼續運作BICEP2已不再合乎經濟價值。空置的BICEP望遠鏡架上正在建造一個功能更為強大的BICEP3望遠鏡。它採用用於凱克陣列的嶄新科技，不再倚賴大型液態氦杜瓦瓶來製冷。

BICEP3望遠鏡將由一個單獨望遠鏡組成，與包含5個望遠鏡的凱克陣列內嵌同樣的2560個探測器，操作頻率為95 GHz。望遠鏡的孔徑為55 cm，能夠給出的數據吞吐量大約是整個凱克陣列的兩倍。[23]缺點在於，較大的焦平面意味著較寬廣的視場（26°），天空中較為「骯髒」的部分也會進入望遠鏡視場之內。預計BICEP3將於2014至2015年南半球夏季正式開始運作。[13]

參閱
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註釋
  1. 張量-標量比率以公式定義為
    ；
    其中，是引力波微擾（張量）的幅度，是密度微擾（標量）的幅度。 宇宙暴脹會產生兩種微擾。一種是暴脹場微擾，它會造成密度微擾，是一種標量微擾。另一種是引力場微擾，是一種張量微擾。密度微擾會造成E模偏振，而引力場微擾會造成B模偏振。因此張量-標量比率是個很重要的物理量。[17]

參考文獻
  1. Staff. . National Science Foundation. 17 March 2014 [18 March 2014].
  2. Clavin, Whitney. . NASA. 17 March 2014 [17 March 2014].
  3. Overbye, Dennis. . New York Times. 17 March 2014 [17 March 2014].
  4. . Caltech. [2014-03-13]. （原始内容存档于2014-03-18）.
  5. . Caltech. （原始内容存档于2012-03-02）.
  6. . Harvard–Smithsonian Center for Astrophysics. [2014-03-14]. （原始内容存档于2014-03-11）.
  7. . Harvard–Smithsonian Center for Astrophysics. [2014-03-14].
  8. . Harvard–Smithsonian Center for Astrophysics. [2014-03-14].
  9. . Harvard–Smithsonian Center for Astrophysics. [2014-03-14].
  10. . Harvard–Smithsonian Center for Astrophysics. [2014-03-14].
  11. The BICEP2 Collaboration. (PDF). 2014. （原始内容 (PDF)存档于2014-03-17）.
  12. . Harvard–Smithsonian Center for Astrophysics. [2014-03-14].
  13. . Harvard–Smithsonian Center for Astrophysics. [2014-03-14].
  14. 7741. Proceedings of SPIE: 11. 2010. doi:10.1117/12.857864.
  15. The BICEP2 Collaboration. (PDF). 2014. （原始内容 (PDF)存档于2014-03-17）.
  16. . The Guardian. 2014-03-14 [2014-03-14].
  17. Carroll, Sean. . S = k log W. Mar 16, 2014 [2014-03-23]. （原始内容存档于2014-03-23）.
  18. Ade, P.A.R. et al (BICEP2 Collaboration). . Physical Review Letters. 19 June 2014, 112: 241101. arXiv:1403.3985. doi:10.1103/PhysRevLett.112.241101.
  19. Overbye, Dennis. . New York Times. 19 June 2014 [20 June 2014]. （原始内容存档于2014-06-22）.
  20. Amos, Jonathan. . BBC News. 19 June 2014 [20 June 2014]. （原始内容存档于2014-06-21）.
  21. . [2014-06-23]. （原始内容存档于2014-06-23）.
  22. Cho, Adrian. . Science. 2015-01-30 [2015-02-01]. （原始内容存档于2015-03-12）.
  23. (PDF). [2014-03-23]. （原始内容存档 (PDF)于2019-05-10）.
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