Next-generation CMB satellites: Norwegian participation in Core and LiteBIRD

Klokka 10.51 den 14. september 2015 gjorde det amerikanske LIGO-eksperimentet verdens første deteksjon av gravitasjonsbølger fra to kolliderende sorte hull, nesten nøyaktig 100 år etter at effekten ble forutsagt av Albert Einstein. Bare to år senere ble dette arbeidet tildelt Nobelprisen i fysikk. I parallell med, og uavhengig av, denne banebrytende oppdagelsen leter kosmologer og CMB-analytikere verden over etter den samme typen gravitasjonsbølger, men denne gangen skapt under selve universets skapelse, og ikke fra kolliderende sorte hull. Ifølge den nåværende kosmologiske standardmodellen ble slike urgravitasjonsbølger generert under en ekstremt kort men voldsom fase i universets utvikling kalt inflasjon, der størrelsen til universet økte med en faktor på ~10^26 i løpet av ~10^-34 sekunder. I denne voldsomme ekspansjonen ble selve rommet strukket, presset og foldet, og i prosessen ble en bakgrunn av tilfeldige gravitasjonsbølger skapt. Hvis dette bildet er korrekt, så vil disse gravitasjonsbølgene være observerbare i form av et spesielt polarisasjonssignal i den kosmiske bakgrunnsstrålinga, og kosmologer verden over leter etter dette signalet i dag, både med bakke-baserte, ballong-baserte, og satellittbaserte eksperimenter. Uheldigvis regner man med at signalet ikke er sterkere enn 10-100 nK i amplitude, og dette tilsvarer variasjoner mer enn åtte størrelsesordener svakere enn den gjennomsnittlige signalstyrken på 2.7K. For å oppnå slik ekstrem nøyaktighet er satellittmålinger uvurderlige. I løpet av prosjektperioden har vi bidratt til planlegging og utvikling av flere framtidige satelittkonsepter som har som mål å være først til å oppdage spor av urgravitasjonsbølger i den kosmiske bakgrunnstrålinga: Europa-leda CORE og PRISTINE, India-leda CMB-Bharat, Japan-leda LiteBIRD og USA-leda PICO, samt det bakkebaserte forprosjektet GreenPol på Grønland. Av alle disse er det LiteBIRD som har kommet lengst. Den japanske romfartsorganisasjonen JAXA har valgt LiteBIRD som sitt neste strategiske L-klasse eksperiment. Universitetet i Oslo var blant de første utenfor Japan til å bli med i LiteBIRD Joint Study Group i 2016, i løpet av de siste fem årene har denne vokst til å omfatte over 300 personer over store deler av verden. LiteBIRD-gruppa i Oslo har tilsvarende vokst til å omfatte 10 personer, og vi er sterkt involvert i planlegging og utvikling av dataanalyse for LiteBIRD. Universitet i Oslo har også foreslått å være vertskap for et av LiteBIRD's offisielle datasentre. Når det gjelder CORE så ble den offisielle ESA-søknaden avslått i 2018, men dette arbeidet var en del av grunnlaget for ESA's Voyage 2050 veikart, der studier av kosmisk bakgrunnsstråling er ett av få prioriterte områder.

Hovedmålene for dette prosjektet har vært å utvikle nye konsepter og metoder for neste-generasjons CMB-satellitter som kommer til å lete etter gravitasjonsbølger fra Big Bang, og å etablere Norge som en internasjonalt ledende aktør. Disse målene er oppfylt, vi har vært direkte involvert i utviklingen av ikke mindre enn fem uavhengige internasjonale satellittkonsepter: CMBBharat (India-leda), CORE (ESA-leda), LiteBIRD (Japan-leda), PICO (NASA-leda), og PRISTINE (ESA-leda). Av disse er tre fortsatt under aktiv utvikling (CMBBharat, LiteBIRD og PICO), og ett (LiteBIRD) har blitt valgt som et hovedprosjekt for oppskytning i 2028 av JAXA. I LiteBIRD har Norge per i dag den nest største gruppa i verden etter Japan, målt i antall PhD-studenter og postdoktorer, og spiller en sentral rolle. Norge er pga dette prosjektet ideelt posisjonert for å bidra til det internasjonale kappløpet for å kartlegge det tidligste universet.

Among the greatest challenges in modern cosmology and particle physics is the detection of primordial gravitational waves created during inflation, a brief period of exponential cosmic expansion taking place ~10^-34 seconds after the Big Bang. Detecting such gravitational waves would not only represent a seminal validation of inflationary cosmologies, but also provide a unique view of particle physics at the Planck energy scale. The most promising observational avenue is to measure CMB B-mode polarization on angular scales larger than ~1 degree. However, according to the latest results from BICEP2+Keck+Planck, the amplitude of such B-modes is low, no more than 7% of the amplitude of normal fluctuations. It may be significantly lower, such as 0.1 or 0.01%, or possibly not detectable at all. Because of this low amplitude, B-modes may easily be obscured by several contaminants. The most problematic is thermal dust and synchrotron emission from the Milky Way. Fortunately, while the frequency spectrum of the CMB follows a near-perfect blackbody spectrum, all known foregrounds follow non-thermal spectra. To distinguish between true CMB signal and foreground contamination, one can therefore measure the microwave sky in many different frequencies, and perform a joint fit of both CMB and foreground components. This process is known as 'CMB component separation', a field in which Norwegian cosmologists have played a world-leading role during the last decade through their involvement in Planck. As a result of this success, Drs. Wehus and Eriksen at the University of Oslo have recently been invited to lead the astrophysical component separation efforts of Core+ and LiteBIRD, two fourth-generation CMB satellite mission concepts led by ESA and JAXA; the latter is about to initiate its Phase A study in 2017. The current application seeks to secure funding for this work, and thereby secure a strong Norwegian involvement in fourth-generation CMB satellite missions.