Cours10.html

CMB Anisotropies (pdf) Jean-Philippe UZAN, Institut d'Astrophysique de Paris (IAP)

    1.   La recombinaison et le fond diffus cosmologique
   2.   Anisotropies de température du fond diffus cosmologique: la formule de Sachs-Wolfe
   3.   Des anisotropies de température au spectre de puissance angulaire Cl
   4.   Vers une compréhension de la forme des Cls

    5.   Vers une approche plus raffinée: l'équation de Boltzmann et la théorie cinétique
   6.   Polarisation
   7.   Autres effets à inclure

Résumé : Cette série de cours se propose de fournir une introduction à la physique du fond diffus cosmologique. Nous décrirons dans un premier temps la dynamique de la recombinaison dans un espace-temps spatiallement homogène et isotrope puis la propagation de la lumière aussi bien dans l'espace de fond qu'au niveau perturbatif. Sous l'hypothèses d'une recombinaison instantanée, nous dériverons l'équation de Sachs-Wolfe qui relie les fluctuations de température aux variables de perturbation. Pour finir, nous ébaucherons une approche plus rigoureuse basée sur une description cinétique et l'équation de Boltzmann. Nous résumerons aussi les autres effets à prendre en compte (polarisation, effets secondaires). Ceci donnera ainsi les bases nécessaire aux autres cours de l'école.

Cosmologie . F. Bernardeau, EDP Science (2008)
The cosmic Microwave backgroung . R. Durrer, CUP (2008)
Cosmologie primordiale . P. Peter & J.-P. Uzan, Belin (2005)
Primordial cosmology . P. Peter & J.-P. Uzan, OUP (2009)
Cosmology. S. Weinberg, OUP (2008) [en]
Lecture notes on the physics of cosmic microwave background anisotropies . A. Challinor & H. Peiris, AIP Conf.Proc.1132:86-140,2009. arXiv:0903.5158
Lecture Notes on CMB Theory: From Nucleosynthesis to Recombination . W. Hu, arXiv:0802.3688
Perturbations of a Cosmological Model and Angular Variations of the Microwave Background . R. K. Sachs, and A. M. Wolfe, ApJ 147, 73 (1967)
Massive neutrinos and cosmology . J. Lesgourgues and S. Pastor, Phys. Rept. 429: 307-379, 2006 [astro-ph/0603494]

Inflation (ppt) Paolo CREMINELLI, International Centre for Theoretical Physics (ICTP)

1. The necessity of inflation: classical theory
2. Inflation and quantum mechanics: perturbations

3. Observables and predictions

Résumé : We will start discussing the motivations for the theory of inflation and its simplest realization: slow-roll inflation. We will then study the perturbations induced by quantum mechanics and the resulting spectrum of scalar and tensor perturbations, focussing on the observable quantities: the spectral indices and the tensor to scalar ratio.

The Inflationary Universe: A Possible Solution to the Horizon and Flatness Problems. Alan H. Guth, Phys.Rev.D23:347-356,1981.
TASI Lectures on Inflation.  Daniel Baumann, arXiv:0907.5424 [hep-th]

CMB : Analyse de données (pdf) Simon PRUNET, Institut d'Astrophysique de Paris (IAP)

1. Des données temporelles aux cartes en fréquences

   i.   Modèle de données
   ii.   Imperfections et systématiques divers: contrôle qualité
   iii.   Problématique générale de la cartographie, vue comme une maximisation de vraisemblance
   iv.   Spécification aux données de Planck: méthodes de destriage
   v.   Cartographie et étalonnage croisé: problème joint
   vi.   Problèmes d'avenir: modélisation sub-pixel, lobes anisotropes, polarisation : ce qu'il reste a faire

2. Estimation spectrale et paramètres cosmologiques

   i.   L'approche mono-canal traditionnelle (cf cours de JFC). Vraisemblance idéale
   ii.   Estimation spectrale: les méthodes heuristiques (petites échelles)
   iii.   Estimation spectrale: cas de la polarisation, couplage E/B
   iv.   Estimation spectrale: méthodes de maximum de vraisemblance, méthodes bayesiennes (grandes échelles)
   v.   Estimation spectrale: vers une vraisemblance hybride ?
   vi.   Inference cosmologique: MCMC et PMC. Lien avec la théorie

Résumé : Dans ce cours, j'essaierai de donner tout d'abord un aperçu général de la chaîne de traitement de données typique d'une expérience de mesure des anisotropies du fond diffus cosmologique, avec des exemples spécifiques issus de la mission Planck. Le cours sera naturellement divise en deux parties, l'une concernant grosso-modo le passage des chaînes temporelles de données aux cartes par fréquence; et la deuxième partie couvrira essentiellement le problème de l'estimation spectrale a partir des cartes, et comment cette estimation peut être utilisée pour confronter les données avec les prédictions théoriques décrites dans les autres cours.

MAPCUMBA : A fast iterative multi-grid map-making algorithm for CMB experiments . Doré, O.; Teyssier, R.; Bouchet, F. R.; Vibert, D.; Prunet, S., Astronomy and Astrophysics, v.374, p.358-370 (2001). http://cdsads.u-strasbg.fr/abs/2001A%26A...374..358D
A maximum likelihood approach to the destriping technique. Keihänen, E.; Kurki-Suonio, H.; Poutanen, T.; Maino, D.; Burigana, C., Astronomy and Astrophysics, v.428, p.287-298 (2004).  http://cdsads.u-strasbg.fr/abs/2004A%26A...428..287K
Destriping CMB temperature and polarization maps. Kurki-Suonio, H.; Keihänen, E.; Keskitalo, R.; Poutanen, T.; Sirviö, A.-S.; Maino, D.; Burigana, C., Astronomy and Astrophysics, Volume 506, Issue 3, 2009, pp.1511-1539. http://cdsads.u-strasbg.fr/abs/2009A%26A...506.1511K
Benchmark parameters for CMB polarization experiments . Hu, Wayne; Hedman, Matthew M.; Zaldarriaga, Matias, Physical Review D, vol. 67, Issue 4, id. 043004. http://cdsads.u-strasbg.fr/abs/2003PhRvD..67d3004H
Likelihood techniques for the combined analysis of CMB temperature and polarization power spectra . Percival, W. J.; Brown, M. L., Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 372, Issue 3, pp. 1104-1116. http://cdsads.u-strasbg.fr/abs/2006MNRAS.372.1104P
Estimating the power spectrum of the cosmic microwave background. Bond, J. R.; Jaffe, A. H.; Knox, L., Physical Review D (Particles, Fields, Gravitation, and Cosmology), Volume 57, Issue 4, 15 February 1998, pp.2117-2137. http://cdsads.u-strasbg.fr/abs/1998PhRvD..57.2117B
MASTER of the Cosmic Microwave Background Anisotropy Power Spectrum: A Fast Method for Statistical Analysis of Large and Complex Cosmic Microwave Background Data Sets.  Hivon, Eric; Górski, Krzysztof M.; Netterfield, C. Barth; Crill, Brendan P.; Prunet, Simon; Hansen, Frode, The Astrophysical Journal, Volume 567, Issue 1, pp. 2-17. http://cdsads.u-strasbg.fr/abs/2002ApJ...567....2H
Fast cosmic microwave background power spectrum estimation of temperature and polarization with Gabor transforms  - Hansen, Frode K.; Górski, Krzysztof M., Monthly Notice of the Royal Astronomical Society, Volume 343, Issue 2, pp. 559-584. http://cdsads.u-strasbg.fr/abs/2003MNRAS.343..559H
Fast estimation of polarization power spectra using correlation functions  - Chon, Gayoung; Challinor, Anthony; Prunet, Simon; Hivon, Eric; Szapudi, István, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 350, Issue 3, pp. 914-926. http://cdsads.u-strasbg.fr/abs/2004MNRAS.350..914C
Cosmic microwave background temperature and polarization pseudo-Cl estimators and covariances  - Brown, M. L.; Castro, P. G.; Taylor, A. N., Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 360, Issue 4, pp. 1262-1280. http://cdsads.u-strasbg.fr/abs/2005MNRAS.360.1262B
Myths and truths concerning estimation of power spectra: the case for a hybrid estimator -  Efstathiou, G., Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 349, Issue 2, pp. 603-626. http://cdsads.u-strasbg.fr/abs/2004MNRAS.349..603E
Power Spectrum Estimation from High-Resolution Maps by Gibbs Sampling Eriksen, H. K.; O'Dwyer, I. J.; Jewell, J. B.; Wandelt, B. D.; Larson, D. L.; Górski, K. M.; Levin, S.; Banday, A. J.; Lilje, P. B., The Astrophysical Journal Supplement Series, Volume 155, Issue 2, pp. 227-241 http://cdsads.u-strasbg.fr/abs/2004ApJS..155..227E
Fast optimal CMB power spectrum estimation with Hamiltonian sampling -  Taylor, J. F.; Ashdown, M. A. J.; Hobson, M. P., Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 389, Issue 3, pp. 1284-1292. http://cdsads.u-strasbg.fr/abs/2008MNRAS.389.1284T
TEASING: a fast and accurate approximation for the low multipole likelihood of the cosmic microwave background temperature -  Benabed, K.; Cardoso, J.-F.; Prunet, S.; Hivon, E., Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 400, Issue 1, pp. 219-227. http://cdsads.u-strasbg.fr/abs/2009MNRAS.400..219B
Cosmological parameters from CMB and other data: A Monte Carlo approach -  Lewis, Antony; Bridle, Sarah, Physical Review D, vol. 66, Issue 10, id. 103511. http://cdsads.u-strasbg.fr/abs/2002PhRvD..66j3511L
Estimation of cosmological parameters using adaptive importance sampling  - Wraith, Darren; Kilbinger, Martin; Benabed, Karim; Cappé, Olivier; Cardoso, Jean-François; Fort, Gersende; Prunet, Simon; Robert, Christian P., Physical Review D, vol. 80, Issue 2, id. 023507 http://cdsads.u-strasbg.fr/abs/2009PhRvD..80b3507W

Polarization and weak gravitational lensing of the CMB (pdf) Anthony CHALLINOR, Institute of Astronomy, University of Cambridge

1. CMB polarization -- physics and observational status
2. Introduction to CMB lensing

3. Lensing reconstruction and non-Gaussian aspects

Résumé : I will cover the physics of CMB polarization, the latest observational results and future prospects. I will then discuss weak gravitational lensing of the CMB including the motivation for its study, effects on the power spectra, lensing reconstruction and non-Gaussian aspects. I will also discuss the current observational status of CMB lensing and future prospects.

- CMB Polarization
For an excellent, tutorial introduction

A CMB Polarization Primer. Wayne Hu, Martin White, arXiv:astro-ph/9706147v1
Wayne Hu's webpages.

For a review of the physics of CMB polariation

Lecture notes on the physics of cosmic microwave background anisotropies. Anthony Challinor, Hiranya Peiris in Proc. XIII Brazilian School of Cosmology and Gravitation. arXiv:0903.5158v1

…and for some analysis issues

Cosmic microwave background polarization analysis . Anthony Challinor, Summer school lecture notes. To appear in `Data analysis in cosmology' (Springer LNP), Valencia, 6-10 September 2004. arXiv:astro-ph/0502093v1

For pioneering work on the implications for gravity-wave searches

A Probe of Primordial Gravity Waves and Vorticity . Marc Kamionkowski, Arthur Kosowsky, Albert Stebbins, Phys.Rev.Lett. 78 (1997) 2058-206. arXiv:astro-ph/9609132v1
Signature of Gravity Waves in Polarization of the Microwave Background . Uros Seljak, Matias Zaldarriaga, Phys.Rev.Lett. 78 (1997) 2054-2057. arXiv:astro-ph/9609169v2

For a nice, an earlier review

Introduction to Microwave Background Polarization Arthur Kosowsky, New Astron.Rev. 43 (1999) 157. arXiv:astro-ph/9904102v1

- Weak gravitational lensing of the CMB
For a comprehensive review

Weak Gravitational Lensing of the CMB . Antony Lewis, Anthony Challinor. arXiv:astro-ph/0601594v4

For a more recent, shorter review

Weak lensing of the CMB . Duncan Hanson, Anthony Challinor, Antony Lewis. arXiv:0911.0612v1

Modèles de rebond comme alternatives à l'inflation (pdf) Patrick PETER, Institut d'Astrophysique de Paris (IAP)

    1.   Introduction : Problèmes avec l'inflation, pourquoi en chercher des alternatives
   2.   Revue historique et critique des modèles
   3.   De nouvelles solutions à des problèmes anciens

    4.   Perturbations invariantes d'échelle
   5.   Passer au travers d'un rebond
   6.   Conclusion : une alternative est encore possible ...

Résumé : Quoi que l'inflation reste, et de loin, le meilleur modèle permettant d'expliquer les propriétés observées de notre Univers, il reste encore de la place pour des modèles alternatifs, la plupart d'entre eux étant basés sur une phase de contraction suivie d'un rebond amenant à notre période actuelle d'expansion. Au moment du rebond, le taux d'expansion, par définition, s'annule, ce qui n'est possible, dans le cadre de la relativité générale, que pourvu que la courbure spatiale soit positive : ceci contredit les données observationnelles actuelles. Je discuterais les manières dont il est possible de modifier soit la description du contenu matériel de l'Univers, soit celle de la gravitation (ou les deux), de telle sorte à ce qu'un rebond ait lieu, et montrerai les conséquences génériques qu'on attend de telles modifications, en particulier dans le fond diffus micro-onde.

Non inflationary model with scale invariant cosmological perturbations. P. Peter, E. Pinho & N. Pinto-Neto,Phys. Rev. D 75, 023516 (2007)
Cosmology without inflation . P. Peter & N. Pinto-Neto, "", Phys. Rev. D 78, 063506 (2008)
Bouncing Cosmologies . M. Novello & S. E. Perez Bergliaffa, Phys. Rep. 463, 127 (2008)
Conceptual problems of inflationary cosmology and a new approach to cosmological structure formation . R. Brandenberger, in Inflationary cosmology, Lect. Notes Phys. 738, 393 (2008), Eds. M. Lemoine et al.
Primordial cosmology. P. Peter & J.-P. Uzan, Oxford University Press (2009)
Observing alternatives to inflation. P. Peter, in "Cosmic structures and Evolution", arXiv:0912.1293 (2009)J. Lesgourgues and S. Pastor, Phys. Rept. 429: 307-379, 2006. astro-ph/0603494

Hunting for Primordial non-Gaussianity in the Cosmic Microwave Background (pdf) Eiichiroo KOMATSU, Department of Astronomy, The University of Texas at Austin

1. Basics of Gaussian and non-Gaussian statistics
2. Effects of non-Gaussianity on cosmological fluctuations

3. Measuring non-Gaussianity from the cosmological data

Résumé : Since the first limit on the (local) primordial non-Gaussianity parameter, fNL, was obtained from COBE data in 2002, observations of the CMB have been playing a central role in constraining the amplitudes of various forms of non-Gaussianity in primordial fluctuations. The current 68% limit from the 7-year WMAP data is fNL=32+/-21, and the Planck satellite is expected to reduce the uncertainty by a factor of four in a few years from now. If fNL>>1 is found by Planck with high statistical significance, all single-field models of inflation would be ruled out. Moreover, if the Planck satellite finds fNL=30, then it would be able to test a broad class of multi-field models using the four-point function (trispectrum) test of tauNL>=(6fNL/5)^2. In this lecture, we review the basics of Gaussian and non-Gaussian statistics, learn the significance (why bispectrum and trispectrum), methods (optimal estimator), results (WMAP 7-year), and challenges (secondary anisotropy, second-order effect, and foreground) of measuring primordial non-Gaussianity from the CMB data.

Hunting for Primordial non-Gaussianity in the Cosmic Microwave Background.  Eiichiro Komatsu, Classical and Quantum Gravity, 27, 124010 (2010). arXiv:1003.6097 and references therein.

Séparation de composantes pour le CMB (pdf). Jean-Francois CARDOSO, Laboratoire traitement et communication de l'information (LTCI)

1. Observations multi-fréquence du CMB

    i.    Le ciel micro-ondes
    ii.    Avant-plans astrophysiques
    iii.    Modèles d'avant-plans
    iv.    Le problème de la séparation de composantes

2. Elements de filtrage optimal

    i.    Séparation de composantes comme filtrage
    ii.    Domaine pixel, domaine harmonique, domaine ondelettes
    iii.    Meilleure prédiction linéaire, filtre de Wiener
    iv.    Estimation non-linéaire pour données non gaussiennes

3. Stratégies de séparation de composantes

    i.    Régression linéaire
    ii.    Filtrage de Wiener
    iii.    Analyse en composantes indépendantes
    iv.    Stratégies de localisation
    v.    Méthodes au maximum de vraisemblance
    vi.    Gestion de l'incertitude
    vii.    Questions ouvertes

Résumé : La séparation de composantes est une étape clé du traitement des données CMB. Nos instruments fournissent des cartes du ciel à plusieurs fréquences mais aucun de ces canaux n'observe un signal CMB pur. A toutes les fréquences d'observation, des émission d'`avant-plan' (poussière, rayonnement synchrotron,...) se superposent au fonds cosmologique. La séparation de composantes est l'art d'exploiter la diversité offerte par les différents canaux pour produire, à partir de ces mélanges, des cartes de chancune des émissions cosmologiques ou astrophysique.
Dans ces deux leçons, après une revue succinte de la physique des avant-plans, je fournirai les éléments théoriques et pratiques des méthodes de séparation de composantes en insistant sur l'approche statistique de ce problème de traitement de données.

Bibliographie

- cf. la présentation

Neutrinos in the CMB (pdf) Julien LESGOURGUES, Centre Europeén pour la Recherche Nucleaire (CERN)

    1.   Status of neutrino physics from laboratory experiments
   2.   Neutrino decoupling and relic density
   3.   Impact of massless neutrinos on cosmological perturbations
   4.   Impact of neutrino mass on cosmological perturbations

    5.    Sensitivity of cosmological observations to neutrinos
    6.    Beyond the main stream: sterile neutrinos, coupled neutrinos
    7.    Beyond linear perturbations: N-body simulations, semi-analytic methods

Résumé : After a short introduction on what is known and not known in neutrino physics, we will review the role played by neutrinos in the evolution of cosmological background quantitites and perturbations. We will pay a particular attention to the impact of massive neutrino free-streaming on the linear growth factor during dark matter and dark energy domination. We will show how future observations - including Planck - can probe these effects. The end of the course will be devoted to a brief dicussion of non-standard neutrinos (sterile, coupled, etc.), and to the important question of including massive neutrinos in predictions for the non-linear matter power spectrum (with N-body simulations or semi-analytic methods).

Massive neutrinos and cosmology.  J. Lesgourgues and S. Pastor, Phys. Rept. 429: 307-379, 2006 [astro-ph/0603494]
Primordial neutrinos.  S. Hannestad, Ann. Rev. Nucl. Part. Sci.56: 137-161, 2006 [hep-ph/0602058]
Probing neutrino masses with cmb lensing extraction.  J. Lesgourgues, L. Perotto, S. Pastor, M. Piat, Phys. Rev. D73: 045021, 2006 [astro-ph/0511735]

Cours & Séminaires