The search for primordial gravitational waves through the $B$-mode polarization pattern in the CMB is one of the major goals of current and future CMB experiments. Besides foregrounds, a potential hurdle in this search is the anisotropic secondary $B$-mode polarization generated by the scattering of CMB photons off free electrons produced during patchy cosmological reionization. Robust predictions of these secondary anisotropies are challenging because of uncertainties in the reionization history. In this paper, we revise estimates of the reionization-induced $B$-mode signal by incorporating recent advances in the understanding of reionization through observations of the Lyman-$\alpha$ forest. To derive these $B$-mode estimates, we use high-dynamic-range radiative transfer simulations of reionization that are calibrated to the Ly$\alpha$ data. These simulations are also consistent with a variety of other high-redshift observations. We find that around multipoles $\ell\approx 100$, reionization induces $B$-mode power with $\ell(\ell+1)C_\ell^{BB}/2\pi\approx 4\times 10^{-6}\,\mu$K$^2$. This secondary signal is thus at the level of the primordial signal with the tensor-to-scalar ratio $r<10^{-4}$, and can increase by a factor of $\sim 50$ if reionization is sourced by highly clustered sources residing in haloes with mass of $\sim 10^{11}$ M$_\odot$. Our findings suggest that the contribution of patchy reionization to the search for primordial gravitational waves is unlikely to be a concern for currently planned CMB experiments.

中文翻译：

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由片状再电离引起的 CMB B 模式极化的修正估计

通过 CMB 中的 $B$ 模式偏振模式寻找原始引力波是当前和未来 CMB 实验的主要目标之一。除了前景之外，该搜索中的一个潜在障碍是各向异性二次 $B$ 模式极化，由 CMB 光子从零散宇宙再电离过程中产生的自由电子散射而产生。由于再电离历史的不确定性，对这些二次各向异性的可靠预测具有挑战性。在本文中，我们通过对 Lyman-$\alpha$ 森林的观察，结合在理解再电离方面的最新进展，修正了对再电离诱导的 $B$-模式信号的估计。为了推导出这些 $B$ 模式估计值，我们使用重新电离的高动态范围辐射传输模拟，该模拟已校准到 Ly$\alpha$ 数据。这些模拟也与其他各种高红移观测结果一致。我们发现在多极子 $\ell\approx 100$ 附近，再电离引起 $B$-模式功率 $\ell(\ell+1)C_\ell^{BB}/2\pi\approx 4\times 10^{ -6}\,\mu$K$^2$。因此，该次要信号处于原始信号的水平，张量与标量之比为 $r<10^{-4}$，如果再电离是由高度聚集的源位于质量为 $\sim 10^{11}$ M$_\odot$ 的晕圈中。我们的研究结果表明，不完整的再电离对寻找原始引力波的贡献不太可能成为当前计划的 CMB 实验的关注点。再电离诱导 $B$ 模式功率为 $\ell(\ell+1)C_\ell^{BB}/2\pi\approx 4\times 10^{-6}\,\mu$K$^2$ . 因此，该次要信号处于原始信号的水平，张量与标量之比为 $r<10^{-4}$，如果再电离是由高度聚集的源位于质量为 $\sim 10^{11}$ M$_\odot$ 的晕圈中。我们的研究结果表明，不完整的再电离对寻找原始引力波的贡献不太可能成为当前计划的 CMB 实验的关注点。再电离诱导 $B$ 模式功率为 $\ell(\ell+1)C_\ell^{BB}/2\pi\approx 4\times 10^{-6}\,\mu$K$^2$ . 因此，该次要信号处于原始信号的水平，张量与标量之比为 $r<10^{-4}$，如果再电离是由高度聚集的源位于质量为 $\sim 10^{11}$ M$_\odot$ 的晕圈中。我们的研究结果表明，不完整的再电离对寻找原始引力波的贡献不太可能成为当前计划的 CMB 实验的关注点。如果再电离来自位于质量为 $\sim 10^{11}$ M$_\odot$ 的晕圈中的高度聚集源，则可以增加 $\sim 50$。我们的研究结果表明，不完整的再电离对寻找原始引力波的贡献不太可能成为当前计划的 CMB 实验的关注点。如果再电离来自位于质量为 $\sim 10^{11}$ M$_\odot$ 的晕圈中的高度聚集源，则可以增加 $\sim 50$。我们的研究结果表明，不完整的再电离对寻找原始引力波的贡献不太可能成为当前计划的 CMB 实验的关注点。