Digging for treasure: delving deep into maps of polarized CMB radiation in light of next-generation experiments

Observations of the Cosmic Microwave Background (CMB) have substantially changed how humanity perceived the Universe. Planck satellite measured the temperature anisotropy with unprecedented precision, but we have only begun to tap the information encoded in CMB polarization and CMB lensing. Hence, lines of investigation seeking to extract information from the CMB beyond that contained in its temperature anisotropies are particularly timing. Both these lines of research are explored in this thesis. In the first part, we will indeed explore the possibility of extracting new information from CMB polarization. The idea is to infer, from the parity-violating power spectra (e.g., EB and TB) and the CMB circular polarization power spectrum, the optical properties of our Universe. We will discuss our formalism which describes the in-vacuo conversion between polarization states of propagating radiation, also known as generalized Faraday effect (GFE), in a cosmological context. Then, thinking of GFE as a potential tracer of new, isotropy- and/or parity-violating physics, we will recast the GFE parameters as the components of an effective “cosmic susceptibility tensor”. For the case of a wavenumber-independent susceptibility tensor, we will also derive constraints using the current linear and circular polarization data. In the second part of this thesis, we will analyze the impact of masking bright extragalactic sources on both the reconstructed CMB lensing potential and the lensed CMB power spectra. This is particularly relevant for future data, where large populations of extragalactic sources will be resolved. We will assess this bias using realistic numerical simulations which include non-Gaussian correlated maps of the CMB lensing convergence, tSZ and CIB emission at various frequencies as well as a halo catalogue. In the last part of this thesis, we will discuss the prospects of both these two projects in view of the future CMB experiments.

Le osservazioni della radiazione cosmica di fondo (dall'inglese Cosmic Microwave Background, CMB) hanno cambiato sostanzialmente le conoscenze che l'umanità ha dell'Universo. Il satellite Planck ha misurato le anisotropie in temperatura con una precisione senza precedenti. Abbiamo, però, solo iniziato a sfruttare a pieno le informazioni racchiuse all'interno della polarizzazione e del lensing della CMB. Pertanto, linee di indagine che cercano di estrarre informazioni dalla CMB oltre a quelle contenute nelle sue anisotropie in temperatura, sono particolarmente interessanti e attuali. Queste linee di ricerca vengono entrambe esplorate in questa tesi. Nella prima parte di questa tesi, infatti, considereremo la possibilità di estrarre nuove informazioni dalla polarizzazione della CMB. L'idea è di dedurre dagli spettri di potenza che violano la parità (ad esempio, EB e TB) e dallo spettro di potenza della polarizzazione circolare di questa radiazione, le proprietà ottiche del nostro Universo. Discuteremo il nostro formalism, il quale descrive il mixing, in-vacuo, tra stati di polarizzazione della CMB mentre “viaggia" dalla superficie di ultimo scattering fino a noi. Tale mixing è anche noto come effetto di Faraday generalizzato (GFE). Inoltre, pensando al GFE come a un potenziale tracer di una nuova fisica che viola l'isotropia e/o la parità, riformuleremo i parametri del GFE come componenti di un "tensore di suscettibilità cosmica” efficace. Per il caso di un tensore di suscettibilità indipendente dal numero d'onda, deriveremo anche i vincoli utilizzando i dati di polarizzazione lineare e circolare più attuali. Discutiamo anche il potenziale di questo formalismo in vista dei futuri esperimenti. Nella seconda parte di questa tesi, invece, analizzeremo l'impatto del mascheramento di sorgenti extragalattiche luminose sia sul potenziale di lensing della CMB che sugli spettri di potenza “lensati" della CMB. Questo argomento è particolarmente rilevante per gli esperimenti futuri, in cui verranno risolte grandi popolazioni di sorgenti extragalattiche. Valuteremo questo bias utilizzando simulazioni numeriche realistiche che includono mappe correlate non gaussiane della convergenza di lensing della CMB, emissione tSZ e CIB a varie frequenze, nonché un catalogo di aloni.