Measuring the Cosmic Microwave Background : Topics along the analysis pipeline

The first quarter of the 20th century witnessed a rebirth of cosmology, study of our Universe, as a field of scientific research with testable theoretical predictions. The amount of available cosmological data grew slowly from a few galaxy redshift measurements, rotation curves and local light element abundances into the first detection of the cos- mic microwave background (CMB) in 1965. By the turn of the century the amount of data exploded incorporating fields of new, exciting cosmological observables such as lensing, Lyman alpha forests, type Ia supernovae, baryon acoustic oscillations and Sunyaev-Zeldovich regions to name a few. -- CMB, the ubiquitous afterglow of the Big Bang, carries with it a wealth of cosmological information. Unfortunately, that information, delicate intensity variations, turned out hard to extract from the overall temperature. Since the first detection, it took nearly 30 years before first evidence of fluctuations on the microwave background were presented. At present, high precision cosmology is solidly based on precise measurements of the CMB anisotropy making it possible to pinpoint cosmological parameters to one-in-a-hundred level precision. The progress has made it possible to build and test models of the Universe that differ in the way the cosmos evolved some fraction of the first second since the Big Bang. -- This thesis is concerned with the high precision CMB observations. It presents three selected topics along a CMB experiment analysis pipeline. Map-making and residual noise estimation are studied using an approach called destriping. The studied approximate methods are invaluable for the large datasets of any modern CMB experiment and will undoubtedly become even more so when the next generation of experiments reach the operational stage. -- We begin with a brief overview of cosmological observations and describe the general relativistic perturbation theory. Next we discuss the map-making problem of a CMB experiment and the characterization of residual noise present in the maps. In the end, the use of modern cosmological data is presented in the study of an extended cosmological model, the correlated isocurvature fluctuations. Current available data is shown to indicate that future experiments are certainly needed to provide more information on these extra degrees of freedom. Any solid evidence of the isocurvature modes would have a considerable impact due to their power in model selection.

Väitöskirjassa tarkastellaan kosmisen mikroaaltotaustan (cosmic microwave background, CMB) mittaamista ja analysointia. Modernien mittausten tuottamat informaatiomäärät ovat niin suuria, että niiden täysimittainen hyödyntäminen muodostaa haastavan tieteellisen ongelman. Informaation oikeaoppinen käsittely poistaa datasta merkityksettömiä vapausasteita (kohinaa) ja suotuisissa olosuhteissa pienentää jatkoanalysoitavan informaation määrää useilla kertaluokilla. Tässä tutkimuksessa työskennellään mikroaaltotaustamittauksista laskettavien taivaankarttojen, niissä jäljellä olevan instrumenttikohinan ja kosmologisten parametrien piirissä. Työmenetelminä käytetään erilaisia tilastollisia työkaluja, joilla taivaanmittauksen aikajärjestetystä informaatiosta erotellaan korreloitunut kohinakomponentti. Työn toisessa osassa tutkitaan jäljelle jääneen korreloituneen kohinan vaikutusta taivaankarttoihin ja niiden myöhempään analyysiin. Työn seurauksena kehitetty työkalu kohinan tilastollisen kuvauksen laskemiseksi on välttämätön nykyaikaisen mittauksen analyysissä. Kolmannessa osassa esitellään erään laajennetun kosmologisen mallin parametrien määritys nykyaikaisesta, koko taivaan kattavasta mittauksesta. Nykyisin saatavilla olevan datan osoitetaan hiuksen hienosti suosivan tarkasteltua, laajennettua mallia yli standardin kosmologisen mallin. Tämä tekee paraikaa käynnistyvästä Euroopan avaruusjärjestön Planck-satelliittimittauksesta erityisen mielenkiintoisen.