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La mission B-Pol

Groupe mission France (SAMPAN): François Bouchet, Martin Bucher, François-Xavier Désert, Michel Piat, Nicolas Ponthieu

« a Class M space mission aimed at detecting the primordial gravitational waves generated during inflation »

LOI: De Bernardis, Bouchet, Kreysa, Efstathiou, MartinezPour la collaboration Bpol:

Denmark, France, Germany, Ireland, Italy, Norway, Portugal, Romania, Spain, Sweden, and the United

Kingdom

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L’héritage de SAMPAN

2005-06: Etude CNES de phase 0 Cruciale pour établir la faisabilité

Participation: CNES PASO (Coord: J. Michaud) Air Liquide Alcatel Laboratoires (IAP, LAOG, CRTBT, IAS, APC)

Instrument BPol très fortement inspiré de SAMPAN Objectifs scientifiques identiques

SAMPAN

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Conclusions de l’étude SAMPAN Etude d’un concept original

La seule évaluation chiffrée au niveau européen

Pas de « show stoppers » Thermique: V-grooves repliés Plusieurs solutions de « despin » identifiées Pistes techniques pour améliorations/optimisations

supplémentaires

Etudes complémentaires en cours: Effets systématiques, en particulier les lobes lointains Avant-plans Analyse des données

R&D: Matrices de bolomètres pour la mesure de la polarisation Stabilité de l’instrument à long terme Qualité optique

SAMPAN

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De SAMPAN à BPol…

1. Objectifs scientifiques

2. Evolutions par rapport à SAMPAN

3. Organisation scientifique

4. Contribution envisagée pour la France

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Inflation ?t = 10-32 sT = 1016 GeV

Surface des dernièresdiffusions ( sur e)

t = 370 000 ansT = 0,3 eV = 3000 K

Grandes structuresdu voisinage

t=13,7 Gans

T=2,725 K

Le paradigme cosmologique

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Que savons-nous? Anisotropies du CMB: statistique

conforme au modèle (WMAP, expériences sol et ballon) Cadre cohérent

Présence d’oscillations harmoniques en faveur de l’inflation Quelle inflation, quand?

Fond d’ondes gravitationnel stochastique

Perturbations tensorielles (en plus des fluctuations de densité)

Spectre PT=AT.knT

Amplitude liée à l’échelle d’énergie de l’inflation:

Pente nT reliée aux amplitudes dans l’ensemble des modèles slow roll

Test de l’inflation(nT = - r/8, with r = AT/AS T/S)

4inflationIGW

2T EAA ∝∝

3years

Cible naturelle: l’échelle GUT (à t~10-16 sec)

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(Boyle, Steinhardt, Turok - astroph/0507455)

Prédiction des modèles d’inflations sur les fluctuations scalaires et tensorielles

• r=T/S• r ~ 10-1 - 10-2 est assez générique (contraint une classe intéressante)

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3 observables : T, E, B

Modes B: Pas généré par des

modes scalaires “Smoking gun” des

perturbations tensorielles Au mieux 300 fois plus

faible que les fluctuations en T

Cas T/S = r = 0.1 (fig), soit Einf=2 x 1016 GeV.

Spectre du mode B maximum pour

l < 200, i.e. > 1 deg

Spectres de puissance du CMB

( ≈ 180 / l)

E < 0 E > 0

B < 0 B > 0

E < 0 E > 0

B < 0 B > 0

Température : ~100µK RMS

Mode B : < 300nK RMS

Mode E : ~4µK RMS

TE

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T E

T+ E+ B+

Lentillage du CMB

Grandes structures: E transformé en B… ( bruit blanc ~5μK.arcmin)

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Modes B

~5μK.arcmin

A white noise level of 5μK.arcmin implies fluctuation with an rms of 5/ μK in a pixel of size i.e. typically 100 nK in a 50 arcmin pixel (~BGW signal for T/S ~ 10-2)

(NB: Temperature ~ 100 μK)

E < 0 E > 0

B < 0 B > 0

E < 0 E > 0

B < 0 B > 0

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Planck et les modes B Planck (2008)

Sensibilité limitée par le bruit de confusion et par les avant-plans non polarisés

“expérience ultime” pour les anisotropies en T

Planck et la polarisation Sensibilité limitée par

l’instrument Mesure marginale des

modes B…

CL lensing

r =T/S = 0.1

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Stratégie en terme de sensibilité Case:

if r = T/S > 10-2 (Einf > 1.2 1016 GeV)

CT > CL at l <~ 100 slope nT “easy” to

measure if r = T/S > 10-4

(Einf > 3.8 1015 GeV) CT > CL only at l <~ 20 amplitude AT “easy” to

measure If r is lower,

CT < CL at all scale Cleaning necessary

Objectif naturel en sensibilité: CBruit = CL ~5 μK.arcmin Planck/12

WMAP

HFI

SAMPAN

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Sensibilité en spectres de puissance du CMB

l bounds region l bounds region (at left) with (at left) with

modes measured modes measured @ S/N >1@ S/N >1

5μK.arcmin, 20arcmin FWHM

l~90

l~10

l~160

l~1140

l~800

l~370

640μK.arcmin, 12arcmin FWHM 60μK.arcmin, 5.5arcmin FWHM

l~1600

l~720

l~7

BPol

WMAP Planck

r10-1 10-2

10-3

10-4

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Analyse en paramètres cosmologiques

Fond d’ondes gravitationnelles: détecté à 3 pour r ≳ 2 x 10-3

Sans prendre en compte le “reionisation bump”(augmentation du spectre d’un facteur ~100 pour l < 20)

(it confirms that other cosmological parameters can be derived with enough precision by the experiment)

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Architecture de l’instrument BPol Mission M

Stabilité Couverture complète du ciel (bas l) Fréquences

Base de l’instrument: SAMPAN Orbite L2 Optique réfractive

Diamètre 30cm, 20 arcmin à 217GHz Cryogénie:

Refroidissement passif ~50K Cryostat LHe ou SH Cryogénie 100mK

Détecteurs bolométriques: 20000 détecteurs polarisés Sans cornet Canaux: 100GHz, 143GHz, 217GHz et 353GHz

Stratégie d’observation: ~1 demi-ciel en 2 jours Spin rapide afin de moduler la polarisation Nutation, précession (redondances)

SAMPAN

Optimisations possibles(Simplification,

diminution des coûts)

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Optimisations possibles par rapport à SAMPAN Spin moins rapide, système interne de modulation

de la polarisation Lobes parasites

Extension du relevé aux basses fréquences Avant-plans

Utilisation de cornets et OMTs? Lobes parasites, pureté en terme de polarisation

Optique avec miroir? Qualité optique

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Organisation scientifique PI: Paolo de Bernardis Steering group: P. De Bernardis, F. Bouchet, G. Efstathiou, E. Kreysa, R.

Rebolo Objectifs Scientifiques: Martin Bucher, Carlo Burigana Orbite, stratégie de balayage, lanceur: Nicolas Ponthieu, Francesco

Piacentini Payload instrument: Lucio Piccirillo

Optique: Bruno Maffei, Fabrizio Villa Détection: Michel Piat, Stafford Withington Cryogénie: François-Xavier Désert, Silvia Masi

Opérations scientifiques et archivage: Radek Stompor, Anthony Challinor, Natoli

Facteurs technologique clés et spacecraft: Michel Piat, Lucio Piccirillo, steering group

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Ordre de grandeur coûts SAMPAN(ROM cost, sans optimisation) Satellite: 340M€

Dont instrument: ~50M€

Tout intégré avec marges: ~525M€, dont: Marges industrie: 35M€ Lancement: 50M€ Ground segment: 10M€ Marges système: 90M€

BPol: Discussions en cours…

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Contribution envisagée pour la France Chaîne de détection: R&D

DCMB Matrice de bolomètres Electronique de lecture

mutlipléxée (chaude et froide) Acquisition

Chaîne cryogénique Acquis Planck-HFI Air Liquide, Alcatel

Analyse des données, segment sol Expertise acquise dans le

cadre du DPC Planck

Matrice DCMB 204 pixels NbSi

ASIC SiGe “Big-Bang”

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