Stiamo entrando in un’epoca in cui i futuri esperimenti di CMB - sia da satellite sia da terra - insieme alle survey delle strutture a larga scala (Large-Scale-Structure, LSS) raggiungeranno una precisione senza precedenti. Questi progressi, per quanto entusiasmanti dal punto di vista della fisica avanzata che potremo estrarre, comporteranno nuove sfide per riuscire a trarre la massima informazione dai dati in arrivo e realizzare la piena sinergia tra esperimenti diversi. In questa tesi studio una modellizzazione delle emissioni extragalattiche che, da un lato, contaminano il segnale primario di CMB e, dall’altro, racchiudono un’enorme quantità di informazione sia sulla formazione ed evoluzione della LSS dell’Universo, sia sull’astrofisica delle sorgenti. Il mio obiettivo è costruire un modello capace di descrivere tali emissioni a tutte le frequenze e scale angolari, così da sfruttare appieno la sinergia fra esperimenti e comprendere meglio le piccole scale dello spettro di potenza di CMB, che sono il principale target dei prossimi esperimenti da terra. Dopo una parte introduttiva che pone le basi cosmologiche del lavoro, la seconda parte di questa tesi è dedicata alla presentazione degli elementi principali alla base della modellizzazione che ho sviluppato. Nella terza parte presento i dettagli del modello delle emissioni extragalattiche, iniziando dal solo Cosmic Infrared Background (CIB), il quale modellizzo a partire dal Halo Model e in cui la novità consiste in una descrizione a due popolazioni di galassie. Dopo aver implementato il modello, il mio obiettivo è quello di vincolare i parametri liberi utilizzando i dataset esistenti di Planck e Herschel–SPIRE. Questa prima analisi evidenzia tuttavia una tensione tra i due dataset che al momento non sono in grado di risolvere; in particolare, resta aperta la questione se l’origine del problema risieda nella modellizzazione, nei dati, oppure in entrambi. Con i dati attuali non è possibile rispondere in modo definitivo. Nel prossimo futuro, saranno disponibili dati ad alta precisione di Simons Observatory Large Aperture Telescope (SO LAT), i quali potranno aiutare a chiarire questo punto; per sfruttarli appieno, però, è necessario includere nella modellizzazione anche le altre emissioni extragalattiche. Per questo motivo, ho esteso il modello del CIB ad altre componenti quali l’effetto Sunyaev-Zel'dovich (SZ) (sia termico, tSZ, sia cinetico, kSZ), la cross-correlazione CIB–SZ, e i contributi da radio–sorgenti e cirri Galattici. Con questa modellizzazione completa ho costruito quindi un dataset che riproduce i dati di SO LAT - spettro di potenza teorico generato dal mio modello, insieme a una matrice di covarianza basata sullo spettro di potenza e costruita a partire dalle curve di rumore di SO LAT (includendo beam e frazione di cielo). A partire da questo dataset, svolgo innanzitutto un’analisi di Fisher per valutare le correlazioni tra i parametri del modello, prevedere il potere vincolante dei dati in arrivo e stimare, in termini qualitativi, l’impatto che questa modellizzazione delle emissioni extragalattiche avrà sull’inferenza cosmologica. Successivamente eseguo un’analisi Markov Chain Monte Carlo (MCMC), ottenendo risultati promettenti in termini di potere vincolante che i futuri dati SO LAT potranno fornire sui diversi modelli di emissione extragalattica. Questo studio è accompagnato dal codice che ho sviluppato per generare le predizioni teoriche del mio modello. Il codice è pubblico e verrà utilizzato dalla collaborazione SO, di cui faccio parte dal 2024.
We are facing an era where future Cosmic Microwave Background (CMB) experiments, both satellite and ground-based, together with Large-Scale-Structure (LSS) surveys, will reach unprecedented precision. These future achievements, while exciting in terms of the advanced physics that can be extracted, will pose new challenges to extract the maximum amount of information from upcoming data and fulfil the synergy between different experiments. In this thesis, I study a physically motivated model of extragalactic emissions, which are, on the one hand, contaminants of the primary CMB signal, on the other hand, contain a great deal of information, both about the formation and the evolution of the LSS of the Universe, and about astrophysics. My objective is to find a model capable of describing these emissions at all frequencies and angular scales, so as to fully exploit the synergy between different experiments and to gain a better understanding of the small angular scales of the CMB power spectrum, which are the primary target of upcoming ground-based experiments. After an introductory part that sets out the cosmological basis of my work, the second part of this thesis is devoted to the introduction of the main elements behind the modelling I have developed. In the third part I present the details of the modelling of the extragalactic emissions, starting with a focus on the Cosmic Infrared Background (CIB) only, where the novelty is a two–galaxy–population description of the CIB within the Halo Model framework. I constrain the free parameters of the model using existing datasets from Planck and Herschel–SPIRE. However, this first analysis highlights a tension between the two, which I am not yet able to resolve; specifically, the open question is whether the issue lies in the modelling, in the datasets, or in both. With current data, it is not possible to answer this question. In the near future, high-precision data from Simons Observatory Large Aperture Telescope (SO LAT) will help answer this question, but in order to exploit them, other extragalactic emissions must be included in the modelling. For this reason, I extend the CIB modelling to other extragalactic emissions, such as the Sunyaev-Zel'dovich (SZ) effect, both thermal (tSZ) and kinetic (kSZ), the cross-correlation between CIB and tSZ, and the contributions coming from radio sources and Galactic cirrus. With this comprehensive modelling in hand, I create a dataset which mimics the upcoming SO LAT data - theoretical spectra generated from my model, together with a power-spectrum-based covariance matrix built from the SO LAT noise curves (including beams and sky fraction). Starting from this dataset, I first go through a Fisher analysis that aims to evaluate the correlations among the model parameters, to forecast the constraining power of the upcoming data, and to estimate, from a qualitative point of view, the impact that this extragalactic-emission modelling will have on cosmological inference. After this part, I then perform a Markov Chain Monte Carlo (MCMC) analysis, finding promising results in terms of the constraining power that future SO LAT data will have on the different models of the extragalactic emissions. This study is accompanied by the code I developed to generate the theoretical predictions of my modelling. This code is public and will be used by the SO collaboration, of which I have been a member since 2024.
From foreground to foreshadower: Modelling extragalactic emissions in the Cosmic Microwave Background era to learn about astrophysics and cosmology
ZAGATTI, GIORGIA
2026
Abstract
Stiamo entrando in un’epoca in cui i futuri esperimenti di CMB - sia da satellite sia da terra - insieme alle survey delle strutture a larga scala (Large-Scale-Structure, LSS) raggiungeranno una precisione senza precedenti. Questi progressi, per quanto entusiasmanti dal punto di vista della fisica avanzata che potremo estrarre, comporteranno nuove sfide per riuscire a trarre la massima informazione dai dati in arrivo e realizzare la piena sinergia tra esperimenti diversi. In questa tesi studio una modellizzazione delle emissioni extragalattiche che, da un lato, contaminano il segnale primario di CMB e, dall’altro, racchiudono un’enorme quantità di informazione sia sulla formazione ed evoluzione della LSS dell’Universo, sia sull’astrofisica delle sorgenti. Il mio obiettivo è costruire un modello capace di descrivere tali emissioni a tutte le frequenze e scale angolari, così da sfruttare appieno la sinergia fra esperimenti e comprendere meglio le piccole scale dello spettro di potenza di CMB, che sono il principale target dei prossimi esperimenti da terra. Dopo una parte introduttiva che pone le basi cosmologiche del lavoro, la seconda parte di questa tesi è dedicata alla presentazione degli elementi principali alla base della modellizzazione che ho sviluppato. Nella terza parte presento i dettagli del modello delle emissioni extragalattiche, iniziando dal solo Cosmic Infrared Background (CIB), il quale modellizzo a partire dal Halo Model e in cui la novità consiste in una descrizione a due popolazioni di galassie. Dopo aver implementato il modello, il mio obiettivo è quello di vincolare i parametri liberi utilizzando i dataset esistenti di Planck e Herschel–SPIRE. Questa prima analisi evidenzia tuttavia una tensione tra i due dataset che al momento non sono in grado di risolvere; in particolare, resta aperta la questione se l’origine del problema risieda nella modellizzazione, nei dati, oppure in entrambi. Con i dati attuali non è possibile rispondere in modo definitivo. Nel prossimo futuro, saranno disponibili dati ad alta precisione di Simons Observatory Large Aperture Telescope (SO LAT), i quali potranno aiutare a chiarire questo punto; per sfruttarli appieno, però, è necessario includere nella modellizzazione anche le altre emissioni extragalattiche. Per questo motivo, ho esteso il modello del CIB ad altre componenti quali l’effetto Sunyaev-Zel'dovich (SZ) (sia termico, tSZ, sia cinetico, kSZ), la cross-correlazione CIB–SZ, e i contributi da radio–sorgenti e cirri Galattici. Con questa modellizzazione completa ho costruito quindi un dataset che riproduce i dati di SO LAT - spettro di potenza teorico generato dal mio modello, insieme a una matrice di covarianza basata sullo spettro di potenza e costruita a partire dalle curve di rumore di SO LAT (includendo beam e frazione di cielo). A partire da questo dataset, svolgo innanzitutto un’analisi di Fisher per valutare le correlazioni tra i parametri del modello, prevedere il potere vincolante dei dati in arrivo e stimare, in termini qualitativi, l’impatto che questa modellizzazione delle emissioni extragalattiche avrà sull’inferenza cosmologica. Successivamente eseguo un’analisi Markov Chain Monte Carlo (MCMC), ottenendo risultati promettenti in termini di potere vincolante che i futuri dati SO LAT potranno fornire sui diversi modelli di emissione extragalattica. Questo studio è accompagnato dal codice che ho sviluppato per generare le predizioni teoriche del mio modello. Il codice è pubblico e verrà utilizzato dalla collaborazione SO, di cui faccio parte dal 2024.I documenti in SFERA sono protetti da copyright e tutti i diritti sono riservati, salvo diversa indicazione.
