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27 ottobre 2008 27 ottobre 2008 Lezione 1 Laboratorio di strumentazione spaziale I The first light in the universe Aniello Mennella Università degli Studi di Milano Dipartimento di Fisica

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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

spaziale I

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

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

spaziale I

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

spaziale I

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

spaziale I

High multipoles

±C`C`

=

s2

fsky(2`+ 1)

"1 +

µpix¾2pixC`W`

#Low­noise detectors

27 ottobre 200827 ottobre 2008 Lezione 1Laboratorio di strumentazione

spaziale I

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

spaziale I

An example from Planck

±C1500=C1500

Expected Planck performances

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)

`

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

spaziale I

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

spaziale I

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

spaziale I

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

spaziale I

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

spaziale I

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

spaziale I

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)

27 ottobre 200827 ottobre 2008 Lezione 1Laboratorio di strumentazione

spaziale I

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

spaziale I

2003-2008: 5 years of WMAP

27 ottobre 200827 ottobre 2008 Lezione 1Laboratorio di strumentazione

spaziale I

2003-2008: 5 years of WMAP

C2is always low...

27 ottobre 200827 ottobre 2008 Lezione 1Laboratorio di strumentazione

spaziale I

2003-2008: 5 years of WMAP

T­E correlation clearly shows a signal

27 ottobre 200827 ottobre 2008 Lezione 1Laboratorio di strumentazione

spaziale I

2003-2008: 5 years of WMAP

E­modes start outlining

27 ottobre 200827 ottobre 2008 Lezione 1Laboratorio di strumentazione

spaziale I

2003-2008: 5 years of WMAP

B­modes still out of reach... 

27 ottobre 200827 ottobre 2008 Lezione 1Laboratorio di strumentazione

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

27 ottobre 200827 ottobre 2008 Lezione 1Laboratorio di strumentazione

spaziale I

Low Frequency Instrument

20 K radiometric array

30­44­70 GHz

All polarisation sensitive

Single receiver

27 ottobre 200827 ottobre 2008 Lezione 1Laboratorio di strumentazione

spaziale I

High Frequency Instrument

0.1 K bolometric array

100­857 GHz

Polarisation­sensitive between 100 and 353

Spider­web PSB

27 ottobre 200827 ottobre 2008 Lezione 1Laboratorio di strumentazione

spaziale I

27 ottobre 200827 ottobre 2008 Lezione 1Laboratorio di strumentazione

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

27 ottobre 200827 ottobre 2008 Lezione 1Laboratorio di strumentazione

spaziale I

COBE resolution

Imaging the first lightESA-SCI(2005)1 (“Blue book”)

27 ottobre 200827 ottobre 2008 Lezione 1Laboratorio di strumentazione

spaziale I

Planck resolution

Imaging the first lightESA-SCI(2005)1 (“Blue book”)

27 ottobre 200827 ottobre 2008 Lezione 1Laboratorio di strumentazione

spaziale I

WMAP 2 yrs

Imaging the first lightESA-SCI(2005)1 (“Blue book”)

27 ottobre 200827 ottobre 2008 Lezione 1Laboratorio di strumentazione

spaziale I

Imaging the first light

WMAP 8 yrs

ESA-SCI(2005)1 (“Blue book”)

27 ottobre 200827 ottobre 2008 Lezione 1Laboratorio di strumentazione

spaziale I

Imaging the first light

Planck 1 yr

ESA-SCI(2005)1 (“Blue book”)

27 ottobre 200827 ottobre 2008 Lezione 1Laboratorio di strumentazione

spaziale I

T power spectrumESA-SCI(2005)1 (“Blue book”)

27 ottobre 200827 ottobre 2008 Lezione 1Laboratorio di strumentazione

spaziale I

E-mode polarisationESA-SCI(2005)1 (“Blue book”)

27 ottobre 200827 ottobre 2008 Lezione 1Laboratorio di strumentazione

spaziale I

B-mode polarisationESA-SCI(2005)1 (“Blue book”)

r = 0:1

27 ottobre 200827 ottobre 2008 Lezione 1Laboratorio di strumentazione

spaziale I

Cosmological parametersESA-SCI(2005)1 (“Blue book”)

WMAP, 4yr observation

PLANCK, 1yr observation

Marginalized posterior distributions for each parameter

27 ottobre 200827 ottobre 2008 Lezione 1Laboratorio di strumentazione

spaziale I

ForegroundsWMAP

Planck

27 ottobre 200827 ottobre 2008 Lezione 1Laboratorio di strumentazione

spaziale I

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

27 ottobre 200827 ottobre 2008 Lezione 1Laboratorio di strumentazione

spaziale I

The quest for polarisation: experimental challenges

Sub­microK sensitivity (need for thousand­sized arrays of very low noise detectors)

Micro­packaged coherent receivers (QUIET experiment)

27 ottobre 200827 ottobre 2008 Lezione 1Laboratorio di strumentazione

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)

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)

27 ottobre 200827 ottobre 2008 Lezione 1Laboratorio di strumentazione

spaziale I

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

27 ottobre 200827 ottobre 2008 Lezione 1Laboratorio di strumentazione

spaziale I

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