1!
Hervé Dole !Institut d’Astrophysique Spatiale, Orsay!Université Paris Sud 11 & CNRS & IUF!http://www.ias.u-psud.fr/dole/m2.php!
Montage: CMB, LSS, galaxies: SPACE!
the perturbed universe:"1. cosmic microwave
background!
I. Angular Power Spectrum on the sphere: C_l!
1. What is a power spectrum ?!
feb 2011! Hervé Dole, IAS - M2 NPAC - Cosmology! 2!
feb 2011! Hervé Dole, IAS - M2 NPAC - Cosmology! 3!
Fourier analysis!C
ourt
esy
Mar
c-A
ntoi
ne M
iville
-Des
chên
es!
Espace direct: temps!
Espace conjugué: fréquence temporelle!
feb 2011! Hervé Dole, IAS - M2 NPAC - Cosmology! 4!
Cou
rtes
y M
arc-
Ant
oine
Miv
ille-D
esch
ênes!
1 sinus!centré!
2 sinus!centrés!
feb 2011! Hervé Dole, IAS - M2 NPAC - Cosmology! 5!
Cou
rtes
y M
arc-
Ant
oine
Miv
ille-D
esch
ênes!
n sinus!décentrés!
n sinus!centrés!
feb 2011! Hervé Dole, IAS - M2 NPAC - Cosmology! 6!
Cou
rtes
y M
arc-
Ant
oine
Miv
ille-D
esch
ênes!
n sinus!décentrés!
Forme!autosimilaire!
(fractale)!
feb 2011! Hervé Dole, IAS - M2 NPAC - Cosmology! 7!
Cou
rtes
y M
arc-
Ant
oine
Miv
ille-D
esch
ênes!
n sinus!décentrés!
WMAP 1 yr!
I. Angular Power Spectrum on the sphere: C_l!
3. What is l (ell) ?!
feb 2011! Hervé Dole, IAS - M2 NPAC - Cosmology! 8!
multipoles applied to the CMB!
feb 2011! Hervé Dole, IAS - M2 NPAC - Cosmology! 9!
Hinshaw et al., 2007, WMAP3!
Ylm courtesy Benoit Mosser, LESIA!
l=2!
l=3!
l=4!
l=5!
l=6!
II. Observations of the Cosmic Microwave Background!
1. Measurements!
feb 2011! Hervé Dole, IAS - M2 NPAC - Cosmology! 10!
Cosmic Microwave Background!
feb 2011! Hervé Dole, IAS - M2 NPAC - Cosmology! 11!
Découvert en 1965 par !Arno Penzias & Robert Wilson.!
Nobel Prize 1978 "for their discovery of the !cosmic microwave background radiation" !
properties!
feb 2011! Hervé Dole, IAS - M2 NPAC - Cosmology! 12!
Blackbody Radiation!T=2.725 K!
L’Univers est rempli de rayonnement: la nuit n’est pas noire, mais brillante en radio.!
Nobel Prize 2006: John Mather, GSFC!(1989 measurements)!
feb 2011! Hervé Dole, IAS - M2 NPAC - Cosmology! 13!
CMB by COBE in 1992!
Nobel Prize 2006: G. Smoot, GSFC!(1992 measurements)!
«#for their discovery of the blackbody form and anisotropy of the cosmic microwave background radiation#»!
feb 2011! Hervé Dole, IAS - M2 NPAC - Cosmology! 14!
fluctuations de température!
WMAP Web Site!
l’amplitude des fluctuations est de l’ordre de la dizaine de microKelvin ! !
feb 2011! Hervé Dole, IAS - M2 NPAC - Cosmology! 15!
fluctuations de température!
WMAP Web Site!
fluctuations de température!
feb 2011! Hervé Dole, IAS - M2 NPAC - Cosmology! 16!
WMAP 7 year!
WMAP Web Site!
fluctuations de température!
feb 2011! Hervé Dole, IAS - M2 NPAC - Cosmology! 17!
Planck 1 an!
Planck ESA HFI LFI consortia!
+ Galaxie et galaxies, amas etc.!
II. Observations of the Cosmic Microwave Background!
2. Strategy and Difficulties!
feb 2011! Hervé Dole, IAS - M2 NPAC - Cosmology! 18!
you play !!
! we give you 600 ME to accurately measure the CMB!! its temperature and polarization anisotropies!
! what telescope and instrument would you build ?!
feb 2011! Hervé Dole, IAS - M2 NPAC - Cosmology! 19!
CMB observations!
feb 2011! Hervé Dole, IAS - M2 NPAC - Cosmology! 20!
2009
Even Better !
1999 MAXIMA
1999 Boomerang
2000 Archeops
Planck (ESA) (Simulated)
WMAP web site & H. Dole!
difficulties!
feb 2011! Hervé Dole, IAS - M2 NPAC - Cosmology! 21!
http://arcade.gsfc.nasa.gov/science_galaxy.html!
feb 2011! Hervé Dole, IAS - M2 NPAC - Cosmology! 22!
Détecteur
Poussière
Synchrotron
Free Free
Galaxies
SZ-thermique
SZ-cinetique
!T/T La poussière domine à hautes
fréquences et est donc un avant-plan important pour les observations bolométriques!
143 217 353 545 GHz
Courtesy N. Ponthieu, IAS!
Bou
chet
& G
ispe
rt!
«#Sandwich Cosmique#»!
foregrounds!
foregrounds!
feb 2011! Hervé Dole, IAS - M2 NPAC - Cosmology! 23!
Courtesy N. Ponthieu, IAS!
feb 2011! Hervé Dole, IAS - M2 NPAC - Cosmology! 24!24!
"!
Grain!
B
Polarisation de l'émission thermique de la poussière!
• These grains align with the Galactic magnetic field and have selective absorption in the visible and UV…!
• … which in turn leads to selective radiation in the submm!
Optical polarization!
submm polarization!#!
+ Manque de mesures à grandes échelles!
(Stein 66)!
Serkowski et al 75!Heiles 01!Fosalba et al 02!
Courtesy N. Ponthieu, IAS!
II. Observations of the Cosmic Microwave Background!
3. Description of the Angular Power Spectrum!
feb 2011! Hervé Dole, IAS - M2 NPAC - Cosmology! 25!
TT angular power spectrum: 3 regimes!
feb 2011! Hervé Dole, IAS - M2 NPAC - Cosmology! 26!
1. Plateau!
2. Acoustic Peaks![Pics acoustiques]!
3. Damping![amortissement]!
TT angular power spectrum: 3 regimes!
feb 2011! Hervé Dole, IAS - M2 NPAC - Cosmology! 27!
1. Plateau! 3. Damping![amortissement]!
2. Acoustic Peaks![Pics acoustiques]!
> horizon! subhorizon!
Hor
izon
@ r
ecom
b!
Thic
knes
s La
st S
c. S
urf.!
feb 2011! Hervé Dole, IAS - M2 NPAC - Cosmology! 28!
angle and geometrie!
Hu, Sugiyama, Silk, 1999!
feb 2011! Hervé Dole, IAS - M2 NPAC - Cosmology! 29!
angular distance!
Hu & Dodelson, 2002, ARAA! WMAP
@z~1100
feb 2011! Hervé Dole, IAS - M2 NPAC - Cosmology! 30!
WMAP 5 TT !
feb 2011! Hervé Dole, IAS - M2 NPAC - Cosmology! 31!
Dunkley et al., 2008, WMAP5!
TT power spectrum at high ell!
feb 2011! Hervé Dole, IAS - M2 NPAC - Cosmology! 32!
Shirokoff et al., 2010!
polarized microwave sky!
feb 2011! Hervé Dole, IAS - M2 NPAC - Cosmology! 33!
WMAP 3!
TT & TE!
feb 2011! Hervé Dole, IAS - M2 NPAC - Cosmology! 34!
Jarosik et al., 2009, WMAP7!
feb 2011! Hervé Dole, IAS - M2 NPAC - Cosmology! 35!
TT
TE
EE
BB
lensing
Synchrotron+dust
Page et al., 2007, WMAP3!
II. Observations of the Cosmic Microwave Background!
4. C_l and Cosmological Parameters!
feb 2011! Hervé Dole, IAS - M2 NPAC - Cosmology! 36!
feb 2011! Hervé Dole, IAS - M2 NPAC - Cosmology! 37!
origine of fluctuations!
Matière => puits de potentiel
Puits de potentiel - les photons qui tombent se réchauffent
(compression) - les photons qui en sortent sont refroidis
(détente)
feb 2011! Hervé Dole, IAS - M2 NPAC - Cosmology! 38!
acoustic waves at recombination!
La physique de ces ondes dépend des paramètres cosmologiques
C_l!
feb 2011! Hervé Dole, IAS - M2 NPAC - Cosmology! 39!
Hu & Dodelson, ARAA, 2002!
II. Observations of the Cosmic Microwave Background!
5. Polarization!
feb 2011! Hervé Dole, IAS - M2 NPAC - Cosmology! 40!
feb 2011! Hervé Dole, IAS - M2 NPAC - Cosmology! 41!
CMB polarization for dummies!
Recombination!
feb 2011! Hervé Dole, IAS - M2 NPAC - Cosmology! 42!
Diffusion Thomson : d$/d% ~ |&.&’|2
& x
y
z
e- &’
Rayonnement isotrope (monopole)!
avec !T~1/m2 -> e- et d": angle solide
Courtesy N. Ponthieu, IAS!
Recombination!
feb 2011! Hervé Dole, IAS - M2 NPAC - Cosmology! 43!
Diffusion Thomson : d$/d% ~ |&.&’|2
& x
y
z
e- &’
Rayonnement isotrope (monopole)!
x’ = z y’ = y
z’
Courtesy N. Ponthieu, IAS!
Recombination!
feb 2011! Hervé Dole, IAS - M2 NPAC - Cosmology! 44!
Diffusion Thomson : d$/d% ~ |&.&’|2
& x
y
z
e- &’
Rayonnement isotrope (monopole)!
x’ = z y’ = y
z’
Courtesy N. Ponthieu, IAS!
Recombination!
feb 2011! Hervé Dole, IAS - M2 NPAC - Cosmology! 45!
Diffusion Thomson : d$/d% ~ |&.&’|2
& x
y
z
e- &’ x’ = z
y’ = y
z’
Rayonnement isotrope (monopole)!
Courtesy N. Ponthieu, IAS!
Recombination!
feb 2011! Hervé Dole, IAS - M2 NPAC - Cosmology! 46!
Diffusion Thomson : d$/d% ~ |&.&’|2
& x
y
z
e- &’ x’ = z
y’ = y
z’
Pas de polarisation!
Rayonnement isotrope (monopole)!
Courtesy N. Ponthieu, IAS!
Recombination!
feb 2011! Hervé Dole, IAS - M2 NPAC - Cosmology! 47!
& x
y
z
e-
Dipole!
&’ x’ y’
z’
Pas de polarisation!
Diffusion Thomson : d$/d% ~ |&.&’|2
Courtesy N. Ponthieu, IAS!
Recombination!
feb 2011! Hervé Dole, IAS - M2 NPAC - Cosmology! 48!
& x
y
z
e-
Quadrupole!
&’ x’ y’
z’
Polarization !
Diffusion Thomson : d$/d% ~ |&.&’|2
Courtesy N. Ponthieu, IAS!
quadrupoles at recombination!
feb 2011! Hervé Dole, IAS - M2 NPAC - Cosmology! 49!
Les sur (sous) densités génèrent de la polarisation (vitesse)!
On sonde directement la recombinaison!
Rees, 1968!
Courtesy N. Ponthieu, IAS!
Over (under) densities generate polarization (speed)!
Polarization: a direct probe of recombination processes!
feb 2011! Hervé Dole, IAS - M2 NPAC - Cosmology! 50!
surdensité sousdensité Perturbations scalaires
Perturbations tensorielles
La polarisation permet de distinguer les différents types
de perturbation
Parité
Parité
x
y
Première possibilité de détection des ondes gravitationnelles primordiales générées pendant la phase d’inflation
Courtesy N. Ponthieu, IAS
«!modes E!»
«!modes B!»
polarization data !!
feb 2011! Hervé Dole, IAS - M2 NPAC - Cosmology! 51!
WMAP7 Komatsu et al., 2009!
Planck data (embargoed) really!look like the simulations !!
feb 2011! Hervé Dole, IAS - M2 NPAC - Cosmology! 52!
" Il faut une anisotropie quadrupolaire pour générer de la polarisation!
" Les fluctuations de densité (scalaires) et les ondes gravitationnelles (tensorielles) créent des quadrupoles!
" Les figures de polarisation sont différentes!
Spectre de puissance et physique…!
Courtesy N. Ponthieu, IAS
polarisation: bilan!
feb 2011! Hervé Dole, IAS - M2 NPAC - Cosmology! 53!
'x
y
Q = Ix - Iy
'x
y
U = Ix45 - Iy45
I, Q, U donnent une description complète de l’etat de
polarisation!
I = Ix + Iy
Courtesy N. Ponthieu, IAS!
les paramètres de Stokes!
feb 2011! Hervé Dole, IAS - M2 NPAC - Cosmology! 54!
TT, EE, TE: behaviour!
Balbi et al., 2006!
TT
EE
TE
phase shift: opposition![déphasage: opposition
de phase]!
phase shift: half![déphasage de pi/2]!
4 CMB anisotropies power spectra!
feb 2011! Hervé Dole, IAS - M2 NPAC - Cosmology! 55!
TB, EB = 0!B : pseudo-scalaire!
T, E : scalaire!
OK
OK
OK
KO ?
Courtesy N. Ponthieu, IAS!
3 observables: T, E, B!
feb 2011! Hervé Dole, IAS - M2 NPAC - Cosmology! 56!
why polarization helps!
TT
EE & BB
Seules des observations en polarisation peuvent discriminer entre le «#CDM standard#» et le «#CDM + energie noire + ondes gravitat ionnel les + reionisation#»!
Balbi et al., 2006!
feb 2011! Hervé Dole, IAS - M2 NPAC - Cosmology! 57!
anisotropies secondaires!
2ème diffusion Thomson lors de la
Réionisation!
Distorsion par effet de lentilles faibles!
Dark Energy + Neutrinos + Large Scale Structures!Courtesy N. Ponthieu, IAS!
B ( 0
B = 0
feb 2011! Hervé Dole, IAS - M2 NPAC - Cosmology! 58!
qques résultats WMAP5!
Komatsu et al., 2008, WMAP5!
feb 2011! Hervé Dole, IAS - M2 NPAC - Cosmology! 59!
polarisation et spectre de puissance!W
ayne H
u,
Chic
ago:
htt
p:/
/bac
kgro
und.u
chic
ago.
edu/~
whu/i
nte
rmedia
te/i
nte
rmedia
te.h
tml
create your own CMB !!
! with CMBeasy: http://www.cmbeasy.org!! based on CMBfast!
feb 2011! Hervé Dole, IAS - M2 NPAC - Cosmology! 60!
II. Observations of the Cosmic Microwave Background!
6. Degeneracies!
feb 2011! Hervé Dole, IAS - M2 NPAC - Cosmology! 61!
feb 2011! Hervé Dole, IAS - M2 NPAC - Cosmology! 62!
1. Dégénérescence «#essentielle#»!
(MCMC with WMAP) %tot = 1 ’’fixes’’ Ho and ) (cf. WMAP)
From CMB physics % h2, H0, )*
Courtesy M. Douspis, IAS
feb 2011! Hervé Dole, IAS - M2 NPAC - Cosmology! 63!
1. Dégénérescence «#essentielle#»!
Blanchard, Douspis et al. 03,05 Tocchini, Douspis, Silk 04
From CMB physics Initial conditions versus Evolution
)=0.0
Courtesy M. Douspis, IAS
feb 2011! Hervé Dole, IAS - M2 NPAC - Cosmology! 64!
2. Dégénérescence «#intégrale#»!
Douspis, Aghanim & Langer 06
From additional physics Secondaries and Foregrounds
Courtesy M. Douspis, IAS
feb 2011! Hervé Dole, IAS - M2 NPAC - Cosmology! 65!
2. Dégénérescence «#intégrale#»!
Spergel et al., 2007, WMAP3
#: Profondeur optique
feb 2011! Hervé Dole, IAS - M2 NPAC - Cosmology! 66!
2. Dégénérescence «#intégrale#»!
Spergel et al., 2007, in press WMAP3
feb 2011! Hervé Dole, IAS - M2 NPAC - Cosmology! 67!
3. Dégénérescence «instrumentale»!
II. Observations of the Cosmic Microwave Background!
7. Origin of fluctuations!
feb 2011! Hervé Dole, IAS - M2 NPAC - Cosmology! 68!
feb 2011! Hervé Dole, IAS - M2 NPAC - Cosmology! 69!
origine des fluctuations!
Matière => puits de potentiel
Puits de potentiel - les photons qui tombent se réchauffent
(compression) - les photons qui en sortent sont refroidis
(détente)
feb 2011! Hervé Dole, IAS - M2 NPAC - Cosmology! 70!
Ondes Acoustiques à la Recomb.!
La physique de ces ondes dépend des paramètres cosmologiques
feb 2011! Hervé Dole, IAS - M2 NPAC - Cosmology! 71!
Courbure!
Position du 1er pic acoustique <=> courbure de l’Univers Way
ne H
u,
Chic
ago:
htt
p:/
/bac
kgro
und.u
chic
ago.
edu/~
whu/i
nte
rmedia
te/i
nte
rmedia
te.h
tml
feb 2011! Hervé Dole, IAS - M2 NPAC - Cosmology! 72!
Contenu en Baryons!W
ayne H
u,
Chic
ago:
htt
p:/
/bac
kgro
und.u
chic
ago.
edu/~
whu/i
nte
rmedia
te/i
nte
rmedia
te.h
tml
Position du 2nd pic acoustique <=> contenu en baryons
feb 2011! Hervé Dole, IAS - M2 NPAC - Cosmology! 73!
Matière Noire!W
ayne H
u,
Chic
ago:
htt
p:/
/bac
kgro
und.u
chic
ago.
edu/~
whu/i
nte
rmedia
te/i
nte
rmedia
te.h
tml
Position du 3ème pic acoustique <=> contenu en matière noire
feb 2011! Hervé Dole, IAS - M2 NPAC - Cosmology! 74!
Pics Acoustiques dans le Sp. P.!W
ayne H
u,
Chic
ago:
htt
p:/
/bac
kgro
und.u
chic
ago.
edu/~
whu/i
nte
rmedia
te/i
nte
rmedia
te.h
tml
feb 2011! Hervé Dole, IAS - M2 NPAC - Cosmology! 75!
Cosmic Microwave Background!
WMAP 3 yr
