Il controllo delle sistematiche strumentali è il principale problema per gli strumenti che mirano a misurare la polarizzazione del fondo cosmico nelle microonde. Fra i vari effetti particolare importanza hanno quelli indotti dal modulatore di polarizzazione, lo strumento chiave per poter fare questa misura.
L'oggetto di questa proposta riguarda proprio un ulteriore sviluppo per questo sottosistema. Partendo dai risultati ottenuti per il modulatore sviluppato per lo strumento SWIPE/LSPE (telescopio su pallone stratosferico con lancio fine 2021), l'obiettivo è quello di soddisfare i requisiti per entrambi i modulatori che verranno montati sul satellite LiteBIRD, unico progetto a livello globale completamente finanziato dall'agenzia spaziale e che volerà nel 2028.
La forza di strumenti da pallone e soprattutto da satellite risiede nel fatto che il segnale dell'inflazione cosmica dovrebbe aver lasciato la sua impronta tramite un pattern di polarizzazione lineare a forma di spirale (modi B) visibile solo a grandi scale angolari, che quindi rende necessario osservare una regione di cielo il più ampia possibile.
Nel caso di LiteBIRD la misura della polarizzazione del fondo cosmico verrà effettuata tramite 3 telescopi tutti equipaggiati di modulatore di polarizzazione (media ed alta frequenza di cui io sono il responsabile e bassa frequenza sotto la responsabilità giapponese).
Poiché il target scientifico è più di 10 volte inferiore rispetto a quello di SWIPE/LSPE, il controllo delle sistematiche deve essere di gran lunga migliore.
L'obiettivo che si prefigge questa proposta è quello di studiare dal punto di vista analitico le 3 principali sistematiche dei modulatori e confermare le previsioni con misure dirette sui prototipi in sviluppo nel nostro laboratorio.
Come abbiamo accennato, le attuali tecniche di modulazione del segnale di polarizzazione riguardano strategie di scansione a step o di modulazione continua a temperature superiori ai 4K.
Gli esperimenti SPIDER e QUBIC hanno scelto di utilizzare una HWP movimentata a step posizionata a 4K. Durante il primo lancio di SPIDER (2015) la modulazione molto lenta di una strategia a step non ha permesso di ottenere dati scientifici di rilievo mentre per QUBIC (del quale anche il nostro gruppo fa parte) che vedrà la prima luce nei prossimi anni la speranza è di compensare la strategia a step con un lungo tempo di osservazione da terra (~4 anni).
Per quanto riguarda la modulazione continua l'esperimento PolarBear ha utilizzato prima una HWP a 300K senza ottenere risultati scientifici a causa della sua emissione, passando quindi ad una HWP a 60K per l'attuale campagna osservativa. L'unico esperimento che ha usato una HWP continua a 4K è EBEX il quale però utilizzava un supporto a levitazione magnetica con un sistema di rotazione meccanico (nastro di Kevlar) che dissipava troppa potenza portando la HWP fino ad una temperatura stimata di 30-40K.
SWIPE/LSPE sarà il primo esperimento ad utilizzare una HWP continua a 4K con un attrito così basso.
I test in laboratorio porteranno il Technology Readiness Level (TRL) di questo sistema a 5, mentre un volo effettuato con successo (previsto per fine 2021) farà salire il TRL fino a 7 rendendo così il sottosistema pronto per future missioni spaziali.
L'unica missione spaziale approvata con possibilità di volare prima del 2030 è LiteBIRD, progetto finanziato dall'agenzia spaziale giapponese (JAXA) ed attualmente in fase A. L'obiettivo è qualificare questa tecnologia per utilizzarla per entrambi gli strumenti a media e alta frequenza del satellite.
Essendo il goal scientifico di LiteBIRD una misura dei modi B con r = 0.001, ovvero un fattore 10 meglio dell'obiettivo di LSPE/SWIPE ed un fattore 70 meglio dell'attuale limite, c'è bisogno di migliori performance dello strumento e soprattutto di un perfetto controllo di tutte le sistematiche indotte dai vari sottosistemi.
Il modulatore, seppur uno strumento così importante per la misura di polarizzazione, potenzialmente è una grande fonte di effetti sistematici poco noti o che necessitano di essere caratterizzati con una precisione mai raggiunta.
Gli effetti sistematici che introducono maggiori problematiche nella misura sono 3:
- La temperatura della HWP che va tenuta il più bassa possibile per ridurme la sua emissione che incide direttamente sui detector (https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/asna.201913566). Nonostante il sistema sia inizialmente freddato a 4K, il motore elettromagnetico tenderà gradualmente a scaldare tramite correnti parassite il rotore. L'unico effetto per raffreddare un oggetto in levitazione e rotazione è tramite l'emissione termica, fenomeno però poco efficace a temperature criogeniche. Questo risulta essere un problema del tutto nuovo poiché questo tipo di sistema non è mai stato usato a temperature così basse e l'unica soluzione è cercare una configurazione che minimizzi il più possibile il contributo delle correnti parassite senza ridurre la forza necessaria per indurre la rotazione. Le prime simulazioni termiche per la configurazione trovata indicano una temperatura di equilibrio aspettata per entrambi i rotatori di LiteBIRD al di sotto dei 20K, temperatura mai raggiunta da nessun sistema di questo tipo e compatibile con un leggero degrado della sensibilità dello strumento rispetto ai 4K di partenza.
- Un possibile effetto di precessione del rotatore (chiamato wobbling), intrinseco in sistemi levitanti di questo tipo. Se il piano di rotazione della HWP si ritrova a precedere, si modifica l'angolo di incidenza della radiazione durante ogni singola rotazione. Poiché l'effetto che si vuole misurare sono i modi B, un particolare pattern della polarizzazione della CMB (da non confondere con i più intensi modi E già misurati da PLANCK), questo potrebbe produrre un effetto di leakage fra modi E e modi B (i due contributi vengono mischiati proprio per effetto della HWP).
- La lettura dell'angolo di rotazione della HWP, sia assoluto che relativo. Questo parametro è fondamentale perchè indispensabile per la ricostruzione dello stato di polarizzazione ed un eventuale errore troppo grande nella determinazione dell'angolo incide notevolmente sull'abilità di ricostruzione dello stato di polarizzazione.