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27 ottobre 200827 ottobre 2008 Lezione 1Laboratorio di strumentazione
spaziale I
The first light in the universe
Aniello Mennella
Università degli Studi di MilanoDipartimento di Fisica
27 ottobre 200827 ottobre 2008 Lezione 1Laboratorio di strumentazione
spaziale I
Photons in the early universe
Early universe is a hot and dense expanding plasma
Photons are coupled to matter via Compton scattering
At ~300000 yrs T falls below 3000 K and matter becomes neutral
At that time photons freely travel carrying the “imprinting” of the “baby” universe
We detect it today as a microwave signal, redshifted by a factor ~1000
14 May 1964, 11:15 am
27 ottobre 200827 ottobre 2008 Lezione 1Laboratorio di strumentazione
spaziale I
“Perfect” black body
Radiation and matter in the primordial plasma are in thermal equilibrium
Expansion provides a redshift in frequency but maintains the shape unaltered
This implies a blackbody spectrum of the CMB today at a temperature 1000 times smaller
27 ottobre 200827 ottobre 2008 Lezione 1Laboratorio di strumentazione
spaziale I
“Perfect” black body
Radiation and matter in the primordial plasma are in thermal equilibrium
Expansion provides a redshift in frequency but maintains the shape unaltered
This implies a blackbody spectrum of the CMB today at a temperature 1000 times smaller
No significant deviations from blackbody distribution over 5 decades in frequency
27 ottobre 200827 ottobre 2008 Lezione 1Laboratorio di strumentazione
spaziale I
Seeds in the universe
COBE
DMR
¢T
T» 10¡5
CMB angular distribution closely tracks matter density distribution at the last
scattering surface
27 ottobre 200827 ottobre 2008 Lezione 1Laboratorio di strumentazione
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CMB polarisation
d¾Td
/ j²̂ ¢ ²̂0j2
Thompsonscattered light is polarised. Only polarisation perpendicular to propagation direction is maintained
To produce average polarisation in the CMB photon (and therefore matter) distribution must have a non zero quadrupole.
27 ottobre 200827 ottobre 2008 Lezione 1Laboratorio di strumentazione
spaziale I
CMB polarisation
Scalar perturbations (perturbations of the energy density at last scattering)
Vector perturbations (matter vortical motions)
Tensor perturbation (metric perturbations, i.e. gravitational waves)
Three mechanisms can produce quadrupolar anisotropy
Stokes Q;U ! E;B modes
27 ottobre 200827 ottobre 2008 Lezione 1Laboratorio di strumentazione
spaziale I
CMB polarisation
Scalar perturbations (perturbations of the energy density at last scattering)
Vector perturbations (matter vortical motions)
Tensor perturbation (metric perturbations, i.e. gravitational waves)
Three mechanisms can produce quadrupolar anisotropy
Stokes Q;U ! E;B modes
27 ottobre 200827 ottobre 2008 Lezione 1Laboratorio di strumentazione
spaziale I
CMB polarisation
Scalar perturbations (perturbations of the energy density at last scattering)
Vector perturbations (matter vortical motions)
Tensor perturbation (metric perturbations, i.e. gravitational waves)
Three mechanisms can produce quadrupolar anisotropy
Stokes Q;U ! E;B modes
27 ottobre 200827 ottobre 2008 Lezione 1Laboratorio di strumentazione
spaziale I
COBE
DMR
¢T
T» 10¡5
¢T (µ; Á) =1X
`=1
X̀
m=¡`a`;mY`;m(µ; Á)
Spherical harmonics
27 ottobre 200827 ottobre 2008 Lezione 1Laboratorio di strumentazione
spaziale I
Power spectrum£104
0
1
2
3
4
1 10 100 1000 10000`
`(`+1)C
`(¹K2)
C` = hja`;mj2i
The power spectrum provides a statistical description of the angular distribution of anisotropies in the sky
180± » 20± » 2± » 100 » 10
27 ottobre 200827 ottobre 2008 Lezione 1Laboratorio di strumentazione
spaziale I
Power spectrum£104
0
1
2
3
4
1 10 100 1000 10000`
`(`+1)C
`(¹K2)
180± » 20± » 2± » 100 » 10Large angular scales (> 1°): CMB anisotropies trace scalar perturbations in gravitational potential before inflation
¢T
T= ¡1
3
±Á
Á
27 ottobre 200827 ottobre 2008 Lezione 1Laboratorio di strumentazione
spaziale I
Power spectrum£104
0
1
2
3
4
1 10 100 1000 10000`
`(`+1)C
`(¹K2)
180± » 20± » 2± » 100 » 10Medium to small angular scales (1° < δθ < 5') trace perturbations driven by acoustic oscillations in the expanding plasma before decoupling
Ä£+k2c2
3£ ' 0
£ =±T
T¡ 1
c2±Á
Á
27 ottobre 200827 ottobre 2008 Lezione 1Laboratorio di strumentazione
spaziale I
Power spectrum£104
0
1
2
3
4
1 10 100 1000 10000`
`(`+1)C
`(¹K2)
180± » 20± » 2± » 100 » 10
Below 5' anisotropies are “washed out” by photon diffusion happening during recombination.
27 ottobre 200827 ottobre 2008 Lezione 1Laboratorio di strumentazione
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Experimental requirements for high precision anisotropy
experiments
±C`C`
=
s2
fsky(2`+ 1)
"1 +
µpix¾2pixC`W`
#
As a first approximation power spectrum uncertainty depends on surveyed area,
optical and noise performances
27 ottobre 200827 ottobre 2008 Lezione 1Laboratorio di strumentazione
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Low multipoles
±C`C`
=
s2
fsky(2`+ 1)
"1 +
µpix¾2pixC`W`
#
Large sky surveys required for accuracy at low multipoles
27 ottobre 200827 ottobre 2008 Lezione 1Laboratorio di strumentazione
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High multipoles
±C`C`
=
s2
fsky(2`+ 1)
"1 +
µpix¾2pixC`W`
#Lownoise detectors
27 ottobre 200827 ottobre 2008 Lezione 1Laboratorio di strumentazione
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High multipoles
±C`C`
=
s2
fsky(2`+ 1)
"1 +
µpix¾2pixC`W`
#
Subdegree angular resolution
27 ottobre 200827 ottobre 2008 Lezione 1Laboratorio di strumentazione
spaziale I
High multipoles
±C`C`
=
s2
fsky(2̀ + 1)
"1+
µpix¾2pixC`W`
#
Optimal optical response reconstruction
27 ottobre 200827 ottobre 2008 Lezione 1Laboratorio di strumentazione
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An example from Planck
±C1500=C1500
Expected Planck performances
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r = 0:1
CTT`
CEE`
CBB`
Requirements for polarisation measurements
1 10 100 1000 1000010¡6
10¡4
10¡2
10
102
104
106
`(`+1)C`(¹K2)
`
27 ottobre 200827 ottobre 2008 Lezione 1Laboratorio di strumentazione
spaziale I
r = 0:1
CTT`
CEE`
CBB`
Requirements for polarisation measurements
1 10 100 1000 1000010¡6
10¡4
10¡2
10
102
104
106
`(`+1)C`(¹K2)
`
Sensitive to reionisation
27 ottobre 200827 ottobre 2008 Lezione 1Laboratorio di strumentazione
spaziale I
r = 0:1
CTT`
CEE`
CBB`
Requirements for polarisation measurements
1 10 100 1000 1000010¡6
10¡4
10¡2
10
102
104
106
`(`+1)C`(¹K2)
`
Emode polarisation between 12 order of magnitudes smaller than T anisotropies
Bmode even smaller, depending on tensorscalar ratio
Requires new generation of instruments and experiments
Key issues:
Low noise detectors
Clean optics
Modular, scalable instrument architecture
27 ottobre 200827 ottobre 2008 Lezione 1Laboratorio di strumentazione
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15 years testing the universe
1992 – COBE DMR First evidence of
temperature anisotropies
First points on the power spectrum
C2 is somewhat surprisingly low
27 ottobre 200827 ottobre 2008 Lezione 1Laboratorio di strumentazione
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15 years testing the universe
First evidence of temperature anisotropies
First points on the power spectrum
C2 is somewhat surprisingly low
2000 – waiting for WMAP
27 ottobre 200827 ottobre 2008 Lezione 1Laboratorio di strumentazione
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15 years testing the universe First subdegree CMB
measurements
Boomerang and MAXIMA measure first peak – the universe is FLAT!
Several measurements all over the world all speak the same language.
The power spectrum actually looks like what it should
2000 – waiting for WMAP
27 ottobre 200827 ottobre 2008 Lezione 1Laboratorio di strumentazione
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15 years testing the universe
First faint detection of Emode polarisation
Bmodes still outofreach
Ground measurements show their potential for the forthcoming polarisation challenges
2002 – DASI detects polarization
27 ottobre 200827 ottobre 2008 Lezione 1Laboratorio di strumentazione
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2001 – WMAP: the baby universe smiles again
WMAP W-band feed horn
Instrument Front-end Assembly
27 ottobre 200827 ottobre 2008 Lezione 1Laboratorio di strumentazione
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2. Radiometer gain model
If not corrected for, it would lead to ∼mK effect on maps
Gain data
1st yr model
New model
WMAP 3yrs: six Jupiter-crossing data sets
Beam solid angles found 1% larger than assumed in 1st year (1.5% effect on power spectrum).
1. Window function determination
Systematic error control: the key factor
From WMAP 3 years data(Jarosik et al 2006)
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Foregrounds: a complex issueForeground minumum contamination at
~70 GHz;
Polarisation: even at optimal frequencies, signal (on average) is dominated by polarized galactic signal
27 ottobre 200827 ottobre 2008 Lezione 1Laboratorio di strumentazione
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2003-2008: 5 years of WMAP
27 ottobre 200827 ottobre 2008 Lezione 1Laboratorio di strumentazione
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2003-2008: 5 years of WMAP
C2is always low...
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2003-2008: 5 years of WMAP
TE correlation clearly shows a signal
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2003-2008: 5 years of WMAP
Emodes start outlining
27 ottobre 200827 ottobre 2008 Lezione 1Laboratorio di strumentazione
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2003-2008: 5 years of WMAP
Bmodes still out of reach...
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spaziale I
Planck, the next big step
ESA space mission, unprecedented combination of sensitivity, angular resolution, sky coverage and systematic error control
Successful coldvacuum testing completed this summer
Launch with Herschel foreseen first half 2009
14 month continuous observations from L2
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Low Frequency Instrument
20 K radiometric array
304470 GHz
All polarisation sensitive
Single receiver
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High Frequency Instrument
0.1 K bolometric array
100857 GHz
Polarisationsensitive between 100 and 353
Spiderweb PSB
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spaziale I
27/10/2008
WMAP PLANCK
Angular resolution 14'-56' 5'-33'
Average ∆T/T per pixel/yr 40 ×10-6 2 ×10-6
Average ∆P/P per pixel/yr 56 ×10-6 4 ×10-6
Mission lifetime 4+ yr >14 monthsSpectral coverage 23-95 GHz 27-900 GHzDetector technology HEMT HEMT+BOLDetector temperature 90 K 20K/4K/0.1KCooling Passive Active
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COBE resolution
Imaging the first lightESA-SCI(2005)1 (“Blue book”)
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Planck resolution
Imaging the first lightESA-SCI(2005)1 (“Blue book”)
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WMAP 2 yrs
Imaging the first lightESA-SCI(2005)1 (“Blue book”)
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Imaging the first light
WMAP 8 yrs
ESA-SCI(2005)1 (“Blue book”)
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Imaging the first light
Planck 1 yr
ESA-SCI(2005)1 (“Blue book”)
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T power spectrumESA-SCI(2005)1 (“Blue book”)
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E-mode polarisationESA-SCI(2005)1 (“Blue book”)
27 ottobre 200827 ottobre 2008 Lezione 1Laboratorio di strumentazione
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B-mode polarisationESA-SCI(2005)1 (“Blue book”)
r = 0:1
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Cosmological parametersESA-SCI(2005)1 (“Blue book”)
WMAP, 4yr observation
PLANCK, 1yr observation
Marginalized posterior distributions for each parameter
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ForegroundsWMAP
Planck
27 ottobre 200827 ottobre 2008 Lezione 1Laboratorio di strumentazione
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What after Planck? Many of the outstanding questions standing out from
current theories will require new measurements What is dark matter?
Does dark energy exist and what is its nature?
Did inflation actually happened and what were the conditions?
Did the primordial gravitational potential present tensor fluctuations (gravitational waves)?
How did structures start forming? When and how the universe reionised on large scales?
Many of these issues can be addressed by precision CMB polarisation measurements
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The quest for polarisation: experimental challenges
SubmicroK sensitivity (need for thousandsized arrays of very low noise detectors)
Micropackaged coherent receivers (QUIET experiment)
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spaziale I
The quest for polarisation: experimental challenges
SubmicroK sensitivity (need for thousandsized arrays of very low noise detectors)
Antennacoupled bolometers
(Boch, 2002, POLARBEAR exp.)
~ 1 mm
Antenna
Superconducting Nb microstrip
Resistor
27 ottobre 200827 ottobre 2008 Lezione 1Laboratorio di strumentazione
spaziale I
The quest for polarisation: experimental challenges
Clean, modular, scalable optical front ends
Wband 2x2 feed array developed from machined platelets
(UniMi, UniMib, 2007)
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The quest for polarisation: experimental challenges
Clean, modular, scalable optical front ends
Wband 2x2 feed array developed from machined platelets
(UniMi, UniMib, 2007)
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The quest for polarisation: experimental challenges
Polarised foregrounds, systematic error control, calibration....
Strong galactic contamination at all latitudes.
Need precise measurements of galactic polarisation
Hinshaw et al, 2008
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Conclusions
The CMB is like the snapshot of a newborn baby from which we want to know about his past and infer his future
Clearly we want the picture to be a GOOD one!
In 50 years the CMB has proved a powerful means to understand the universe. Measurements and theories often wonderfully match
But nature never gets short of surprises. And the future is rich with profound and interesting questions.
The game is not a quest for the ultimate answer, but to establish a dialogue with the surrounding world which is, ultimately, a part of ourselves