The Intrinsic Bispectrum of the Cosmic Microwave Background

نامزد به عنوان پایان نامه برجسته توسط پروفسور رابرت کریتندن از موسسه کیهان شناسی و گرانش در پورتسموث، و برنده جایزه مایکل پنستون برای سال 2014 که توسط انجمن سلطنتی نجوم برای بهترین پایان نامه دکتری در نجوم یا اخترفیزیک ارائه شده است، هدف این کار روشن کردن یکی از مهم‌ترین کاوشگرهای کیهان اولیه است: دو طیف پس‌زمینه مایکروویو کیهانی.

دو طیف CMB پنجره‌ای بالقوه برای فیزیک جدید هیجان‌انگیز است، زیرا به آن حساس است. ویژگی های غیر گاوسی در نوسانات اولیه، همان نوساناتی که به سیارات، ستارگان و کهکشان های امروزی تکامل یافته است. با این حال، این اطلاعات ارزشمند به طور بالقوه مورد بررسی قرار می گیرد، زیرا همه غیر گاوسی بودن مشاهده شده منشأ اولیه ندارند. در واقع، یک دو طیفی حتی برای شرایط اولیه کاملاً گوسی به دلیل دینامیک غیر خطی، مانند فوتون‌های CMB که الکترون‌های آزاد را پراکنده می‌کنند و در یک جهان ناهمگن منتشر می‌شوند، به وجود می‌آید. دکتر پتیناری خواننده را با این دو طیف ذاتی به روشی آموزشی آشنا می‌کند، که برگرفته از مدل استاندارد کیهان‌شناسی و نظریه آشفتگی کیهانی، ابزاری است که کیهان‌شناسان برای کشف تاریخ کیهان از آن استفاده می‌کنند. با این کار او SONG را معرفی می کند، یک کد جدید و کارآمد برای حل معادلات مرتبه دوم اینشتین و بولتزمن. در مرحله بعد، او به پاسخ به این سوال مهم ادامه می دهد: آیا دو طیف ذاتی سیگنال اولیه را در CMB نمایش می دهد؟ با استفاده از SONG، او دو طیف ذاتی را محاسبه می‌کند و نشان می‌دهد که چگونه آلودگی آن منجر به سوگیری کوچکی در تخمین‌های غیرگاوسی اولیه می‌شود، که یک خبر عالی برای چشم‌انداز استفاده از داده‌های CMB برای کاوش غیرگوسی بودن اولیه است.

Nominated as an outstanding thesis by Professor Robert Crittenden of the Institute of Cosmology and Gravitation in Portsmouth, and winner of the Michael Penston Prize for 2014 given by the Royal Astronomical Society for the best doctoral thesis in Astronomy or Astrophysics, this work aims to shed light on one of the most important probes of the early Universe: the bispectrum of the cosmic microwave background.

The CMB bispectrum is a potential window on exciting new physics, as it is sensitive to the non-Gaussian features in the primordial fluctuations, the same fluctuations that evolved into today’s planets, stars and galaxies. However, this invaluable information is potentially screened, as not all of the observed non-Gaussianity is of primordial origin. Indeed, a bispectrum arises even for perfectly Gaussian initial conditions due to non-linear dynamics, such as CMB photons scattering off free electrons and propagating in an inhomogeneous Universe. Dr. Pettinari introduces the reader to this intrinsic bispectrum in a pedagogic way, building up from the standard model of cosmology and from cosmological perturbation theory, the tool cosmologists use to unravel the history of the cosmos. In doing so, he introduces SONG, a new and efficient code for solving the second-order Einstein and Boltzmann equations. Next, he moves on to answer the crucial question: is the intrinsic bispectrum going to screen the primordial signal in the CMB? Using SONG, he computes the intrinsic bispectrum and shows how its contamination leads to a small bias in the estimates of primordial non-Gaussianity, a great news for the prospect of using CMB data to probe primordial non-Gaussianity.