Spectral distortion and polarization of the cosmic microwave background

Muralidhara, Vyoma (2024): Spectral distortion and polarization of the cosmic microwave background: measurement, challenges and perspectives. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

The Cosmic Microwave Background (CMB) is an essential observational probe to modern cosmology. The linear polarization of the CMB provides a crucial observational tool for exploring new physics, including the inflationary paradigm and parity-violating phenomena. The spectral distortion of the CMB can be used as a probe of the intracluster medium (ICM) of galaxy clusters and to infer cosmological parameters. However, accurate measurements of the spectral distortion and polarization of the CMB are limited by the characterization of the foreground emission and systematic effects introduced by the instruments of CMB experiments. We first study the spectral distortion of the CMB introduced by Inverse-Compton scattering of CMB photons by non-thermal electrons in the ICM of galaxy clusters, known as the non-thermal Sunyaev-Zeldovich (ntSZ) effect, which serves as a probe of the non-thermal energy budget within galaxy clusters. The amplitude of the ntSZ effect, which, when combined with measurements of the synchrotron emission at 1.4 GHz, provides constraints on the volume-averaged magnetic field strength within the ICM. Observations of galaxy clusters that host radio halos and emit diffuse synchrotron radiation are selected from Planck all-sky maps to measure the ntSZ effect and subsequently the magnetic field strength. We also study the improvement in the uncertainties of these constraints when considering the sensitivities of upcoming ground-based CMB experiments. The imprints of parity-violating physics on the polarization of the CMB are predicted theoretically and recently, several methods have been used to measure the effect of cosmic birefringence from Planck and WMAP data. A major challenge in the detecting the cosmic birefringence angle has been the miscalibration of the orientation of polarization sensitivity of the detectors that observe in the microwave regime. One of the methods to overcome this challenge is the absolute angle calibration of the instruments with a bright, well-known astrophysical source. In this work, we attempt a relative and absolute polarization angle calibration of the Planck detectors with microwave and X-ray observations of the Crab nebula. Another challenge to accurate measurements of the CMB is the spatially and temporally correlated detector and atmospheric noise which complicates the reconstruction of CMB maps from the raw data. Certain strategies can be employed in terms of how a telescope scans the sky and how the raw data are reduced to mitigate the effects of these noise components. To study these effects and the strategies employed, we developed a simulation pipeline to generate time-ordered data (TOD) from an upcoming ground-based sub-mm telescope using the TOAST software framework. We use these simulations to show the spurious effects that are introduced by these noise components at the map level and discuss several map reconstruction methods employed to minimize them. In this work, we find that the combined sensitivity of upcoming CMB experiments and a broad observing frequency coverage in the sub-mm regime leads to better characterization of foregrounds and improved constraints on the spectral distortion of the CMB. While Planck observations of the Crab nebula result in biased estimates of the position angle of linear polarization due to systematic effects, it highlights the need for dedicated ground-based measurements of the object that enable independent methods of calibration of CMB instruments to accurately measure the polarization of the CMB.

Abstract

Der kosmische Mikrowellenhintergrund (CMB) ist fuer die moderne Kosmologie von grundlegender Bedeutung. Die Polarisierung des CMB liefert entscheidende Hinweise auf neue physikalische Phaenomene wie Paritaetsverletzung und Inflation liefert. Abweichungen vom Schwarzkoerperspektrum des CMBs testen das Intracluster-Medium (ICM) von Galaxienhaufen und erlauben Rueckschluesse auf kosmologische Parameter. Die Genauigkeit, mit der CMB Polarisierung und Spektrum gemessen werden koennen, ist limitiert durch Vordergrundemission, durch instrumentelle Systematiken und durch die Empfindlichkeit der Instrumente. Zunaechst betrachten wir Abweichungen vom Schwarzkoerperspektrum des CMBs, das durch die Inverse-Compton-Streuung von CMB-Photonen an nicht-thermischen Elektronen im ICM von Galaxienhaufen verursacht wird. Dieser Effekt, genannt nicht-thermischer Sunyaev-Zeldovich-Effekt (ntSZ), haengt von der nicht-thermischen Energiedichte in Galaxienhaufen ab. Die Amplitude des ntSZ-Effekts in Verbindung mit Messungen der Synchrotronemission bei 1,4 GHz liefert Hinweise auf die volumen gemittelte Magnetfeldstaerke innerhalb des ICM. Wir identifizieren Galaxienhaufen die Radio Halos beherbergen und Synchrotronstrahlung emittieren in den All-Sky-Karten des Planck Satelliten um den ntSZ-Effekt zu messen und die Magnetfeldstärke einzuschraenken. Des Weiteren untersuchen wir, wie sich die Messungen durch kommende bodengestuetzte CMB Experimente verbessern lassen. Paritaetsverletzung kann eine kosmische Doppelbrechung erzeugen, die in der CMB-Polarisation detektiert werden kann. In juengster Zeit wurden mehrere Methoden zur Messung der kosmischen Doppelbrechung anhand von Planck - und WMAP -Daten eingesetzt. Eine große Herausforderung bei der Messung ist die Fehlkalibrierung der Polarisationsrichtung der Detektoren, die im Mikrowellenbereich beobachtet werden. Diese Herausforderung kann durch die absolute Winkel Kalibrierung der Instrumente mit einer hellen, bekannten astrophysikalischen Quelle geloest werden. In dieser Arbeit versuchen wir eine absolute Polarisationswinkel Kalibrierung der Planck Detektoren mit Beobachtungen des Crab Nebula im Mikrowellen- und Röntgenbereich. Eine weitere Herausforderung fuer genaue Messungen des CMB ist das raeumlich und zeitlich korrelierte Detektor- und atmosphaerische Rauschen, das die Rekonstruktion von CMB-Karten aus zeitlich-geordneten Daten (TOD) erschwert. Bestimmte Strategien, wie ein Teleskop den Himmel abtastet und wie die Rohdaten reduziert werden, koennen eingesetzt werden, um die Auswirkungen dieser Rauschkomponenten zu mildern. Um diese Effekte und die verwendeten Strategien zu untersuchen, haben wir eine Simulationspipeline basierend auf dem Software-Frameworks TOAST entwickelt, die es uns erlaubt TOD Daten eines zukuenftigen bodengebundenen Sub-mm-Teleskops zu erzeugen. Wir verwenden diese Simulationen, um die stoerenden Effekte aufzuzeigen, die durch diese Rauschkomponenten auf der Kartenebene entstehen, und eroertern mehrere Methoden zur Kartenerstellung, um diese zu minimieren. In dieser Arbeit stellen wir fest, dass die kombinierte Empfindlichkeit von kommenden CMB-Experimenten und eine breite Frequenzabdeckung im sub-mm-Bereich zu einer besseren Charakterisierung von Vordergruenden sowie einer verbesserten Einschraenkungen von Abweichungen vom Schwarzkoerperspektrum des CMBs fuehrt. Waehrend Planck Beobachtungen des Crab Nebula zu einer verzerrten Schaetzungen des Positionswinkels der linearen Polarisation ergeben, unterstreicht dieses Ergebnis die Notwendigkeit spezieller bodengestuetzter Messungen. Diese ermoeglichen unabhaengige Methoden zur Kalibrierung von CMB-Instrumenten und der genauen Messung der Polarisation des CMB.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: Cosmology, Nongalactic Astrophysics, Supernova remnant, galaxy cluster
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 5. November 2024
• 1. Bericht­erstatter:in: Komatsu, Eiichiro