CosmoglobeHD: Mapping the universe from the Milky Way to the Big Bang in high resolution

Den kosmiske bakgrunnsstrålingen ("cosmic microwave background" eller CMB på engelsk) er universets første lys. Ved å studere denne strålingen kan vi forstå hvordan de første grunnstoffene ble dannet, hvordan de første stjernene og galaksene utviklet seg, og til og med forstå universets begynnelse. Lysets spektrum kan fortelle oss flere ting, blant annet temperaturen til universet, men også om alle høyenergihendelser i universets historie, som dannelsen av første supernovaene, utviklingen av intergalaktisk plasma, og potensielt også gammastråling fra mørk materie som annihilerer. Polariseringen av CMB-lyset kan gi oss svar på hvorvidt gravitasjonsbølger fra det tidlige universet eksisterer, og den kan gi klare bevis på kosmisk inflasjon, som vi tror er grunnen til at det tidlige universet utvidet seg. Målet til CosmoglobeHD er både å måle CMB-spekteret med større presisjon enn noen gang, og kanskje å oppdage gravitasjonsbølgene fra Big Bang. For å oppnå dette skal vi lage ekstremt nøyaktige kart over materien som finnes mellom oss og strålingen, inkludert støv i solsystemet og Melkeveien. Dataene vil komme fra satellitteksperimentet FIRAS, som vant en Nobelpris nettopp for disse målingene, samt nye data fra Simons Observatory (SO). FIRAS var de som først fastslo at CMB er stråling fra et nær perfekt sortlegeme. Til tross for disse sterke resultatene forutsier vår kosmologiske standardmodell at CMB-spekteret må avvike fra å være perfekt sortlegeme-stråling på et nivå som ligger like under FIRAS-instrumentets sensitivitet. CosmoglobeHD har som mål å forbedre disse målingene ved å kombinere med data fra WMAP- og Planck-satellitene ved å bruke moderne algoritmer. Tilsvarende, ved å kombinere kartene fra SO med de beste satellittdataene som er tilgjengelige i dag, skal vi også finne de beste grensene for modeller av kosmisk inflasjon som noensinne er publisert.

The Cosmic Microwave background (CMB) is the oldest source of light in existence, and our most precious resource for understanding the early history of the universe. Two vital targets for next-generation CMB experiments are B-mode polarization - a direct probe of cosmic inflation and primordial gravitational waves - and spectral distortions, which encode the energy history of the universe from redshift one million until today. In the CosmoglobeHD project, I propose to develop a joint integrated analysis framework for ground-based B-mode experiments with high spatial resolution and spectral distortion experiments with high spectral resolution, building on recent breakthroughs in the processing of CMB anisotropy satellite data. I will then use this framework to jointly analyze the upcoming state-of-the-art data from Simons Observatory (SO) with archival data from COBE/FIRAS, COBE/DIRBE, Planck, and WMAP. The main product from this analysis will be CosmoglobeHD: an absolutely calibrated high-resolution model of the radio, microwave, and sub-mm sky. This will enable cutting edge science in both fundamental cosmology and Galactic physics. The SO observations will constrain both primordial gravitational waves and cosmic birefringence to unprecedented levels, while the FIRAS analysis will reduce the frequency-domain uncertainties of the CMB spectrum by a factor of 2–5, potentially leading to the world’s first detection of large-scale non-blackbody CMB radiation. These signals probe independent aspects of ?CDM and also share many observational challenges, justifying a synergistic analysis approach. This novel integrated and Open Science analysis framework will define a new paradigm for a wide range of next-generation B-mode and spectral distortion experiments, including CMB-S4, LiteBIRD, and ESA’s Voyage 2050 spectral distortion concept.