Indagare la Cosmologia tramite lo spettro di potenza dalle piccole alle grandi scale angolari

Among the most promising topics in Cosmological investigation we can certainly consider the polarization of the Cosmic Microwave Background (CMB) and the multiwavelength analysis of extragalactic emissions. On one side, CMB polarization allows to better constrain the cosmological parameters and to test the standard model. On the other hand, the study of millimeter and submillimeter data opens the door for investigation of the matter distribution on large scales in order to understand the formation and evolution of the Large Scale Structure. In the first project described in this thesis we present an assessment of the large-scale CMB anomalies in polarisation using the two-point correlation function as a test case. We employ the state of the art of large scale polarisation datasets: the first based on a Planck 2018 HFI 100 and 143 GHz cross-spectrum analysis, relying on SRoll2 processing, and the second from a map-based approach derived through a joint treatment of Planck 2018 LFI and WMAP-9yr. We consider the well-known S 1/2 estimator, which measures the distance of the two-point correlation function from zero at angular scales larger than 60 ◦ , and rely on realistic simulations for both datasets to assess confidence intervals. We find that both datasets exhibit a lack-of-correlation anomaly in local E−modes, similar to the one observed in temperature, which is better constrained by the less noisy Planck HFI 100×143 data, where its significance lies at about 99.5%. The analysis has been carried out with the best datasets currently available at large angular scales, which are however limited by the still significant amount of noise in polarisation observations. This issue will be hopefully overcome by the advent of new data, such as those from LiteBIRD, which are expected to be cosmic variance limited at all scales. In the second project presented in this thesis we developed a tool for data analysis designed for the millimeter and sub-millimeter wavelength datasets. We fit with a unique model data from the South Pole Telescope and the Hershel/SPIRE experiment. Our formalism describes the emission of radio galaxies, the thermal Sunyaev Zeldovich (tSZ) effect, the kinetic Sunyaev Zeldovich (kSZ) effect and the Cosmic Infrared Background (CIB) clustered and Poisson contribution. We use a halo model approach to describe the clustering of dark matter together with a halo occupation distribution model to parametrize the galaxy power spectrum. We fit for the so-called clustering parameters, i.e. minimum mass of the hosting halo and the index regulating the accretion of galaxies in the halo outskirts. We consider two populations of galaxies: early and late-type populations. The key parameter in modelling the tSZ is the hydrostatic mass bias, which strongly depends on cosmology and contains all the uncertainties we have in the determination of the SZ clusters mass. With our analysis we improve the constraints on the clustering parameters of the late-type population, finding that it is hosted in less massive structures with respect to the early-type one. We obtain a minimum mass of 10^12.5 [M/h] and 10^11.4 [M/h] for the early and late-type population respectively, when fitting for SPIRE data. For both datasets we find values of the hydrostatic mass bias, b = 0.57 ± 0.16, higher than those found by Planck, although the amplitude of the tSZ power spectrum obtained with this value of b is in line with the findings of previous SPT analysis. We also kSZ derive a more severe constraint on the amplitude of the kSZ with respect to previous literature, i.e. A(kSZ) < 3.7 at 99% C.L., and investigate its degeneracy with the tSZ-CIB correlation. These results are obtained using the state of the art data available but our tool will be of great utility in the analysis of future datasets, such as the Simons Observatory, CMB-Stage 4 and CONCERTO.

Tra le più promettenti sfide della Cosmologia moderna possiamo certamente annoverare la polarizzazione del fondo cosmico di microonde (CMB) e l’analisi multifrequenza delle emissioni extragalattiche. Da un lato, la polarizzazione della CMB permette di vincolare sempre meglio i parametri cosmologici e testare il modello standard. Dall’altro lato, lo studio dei dati nelle frequenze millimetriche e sub-millimetriche apre uno spiraglio all’indagine della distribuzione di materia su grande scala, con il fine di comprendere la formazione e l’evoluzione della Struttura su Larga Scala dell’Universo. Nel primo progetto descritto in questa tesi presentiamo lo studio di una delle anomalie su larga scala della CMB basato sulla correlazione angolare a due punti. Utilizziamo lo stato dell’arte dei dataset in polarizzazione: il primo è basato su una analisi del cross-spettro delle bande a 100 e 143 GHz del dataset Planck 2018. Il secondo dataset è costruito a partire dalle mappe Planck 2018 LFI e WMAP-9yr. Consideriamo il noto estimatore S1/2 , che misura la distanza della funzione di correlazione angolare da zero a scale più larghe di 60° e impieghiamo simulazioni realistiche per valutare gli intervalli di confidenza. Entrambe i dataseset mostrano un basso valore della funzione di correlazione per i modi E locali, similmente all’effetto osservato in temperatura. Questo risultato è maggiormente vincolato dal dataset Planck HFI 100×143, che è quello con minore rumore, e per cui la significatività dell’effetto si attesta attorno al 99.5%. Per ulteriori indagini, questo test potrà essere ripetuto su nuove generazioni di dati, ad esempio quelli di LiteBIRD, che saranno limitati solo dalla varianza cosmica a tutte le scale angolari. Nel secondo progetto presentato in questa tesi abbiamo sviluppato un codice per l’analisi dati progettato per le frequenze millimetriche e sub-millimetriche. Con un unico modello fittiamo i dati del South Pole Telescope (SPT) e dell’esperimento Herschel/SPIRE. Il formalismo sviluppato descrive l’emissione delle galassie radio, l’effetto Sunyaev Zeldovich termico (tSZ) e cinetico (kSZ), il fondo cosmico infrarosso (CIB) sia nella sua componente di clustering che poissoniana. Abbiamo usato un modello ’ad alone’ per descrivere il clustering della materia oscura, unito a una funzione di ’distribuzione di occupazione dell’alone’ per parametrizzare lo spettro di potenza delle galassie. Nell’analisi variamo i cosı̀ detti parametri di clustering, cioè la massa minima dell’alone e l’indice che regola l’accrescimento delle galassie sullo stesso. Abbiamo considerato due popolazioni di galassie chiamate early e late type. Il parametro chiave nella modellizzazione del tSZ è il bias idrostatico, che dipende fortemente dalla cosmologia e contiene le incertezze che abbiamo nella determinazione della massa dell’ammasso di galassie che produce il tSZ. Con la nostra analisi abbiamo migliorato i vincoli sui parametri di clustering sia della popolazione early che late type, trovando che quest’ultima è ospitata in aloni meno massivi rispetto alla popolazione early type. Otteniamo una massa minima di 10^12.5 [M/h] e 10^11.4 [M/h] per la popolazione early e late type rispettivamente quando fittiamo i dati SPIRE. Troviamo, inoltre, valori del bias idrostatico, b = 0.57±0.16, più alti di quelli trovati da Planck, sebbene l'ampiezza dello spettro del tSZ ottenuta con questi valori di b sia in linea con precedenti analisi su mappe SPT. Deriviamo anche vincoli più stringenti sull’ampiezza del kSZ rispetto alla letteratura precedente, A(kSZ) < 3.7 at 99% C.L., e indaghiamo la sua degenerazione con la correlazione tSZ-CIB. I dataset con cui questi risultati sono stati ottenuti rappresentano lo stato dell’arte a queste frequenze ed il nostro codice sarà di grande utilità quando nuovi dataset saranno disponibili, a partire da quelli del Simons Observatory, CMB-Stage 4 e CONCERTO.