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Fondo Cosmico di Microonde: implicazioni delle moderne osservazioni, prospettive future Carlo Baccigalupi SISSA, Trieste Societa’ Italiana di Fisica Italiana September 23°, 2013
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Feb 23, 2019

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Fondo Cosmico di Microonde: implicazioni delle moderne osservazioni,

prospettive future Carlo Baccigalupi

SISSA, Trieste Societa’ Italiana di Fisica Italiana

September 23°, 2013

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Outline

• CMB anisotropies in the new era:

– Effects from Large Scale Structure make the CMB a Dark Energy Probe

– Searching from Cosmological Gravitational Waves

• The status of observations as set by Planck

• Latest discoveries and future directions

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CMB anisotropies

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CMB: where and when?

• Opacity: λ = (neσT)-1 « horizon

• Decoupling: λ ≈ horizon

• Free streaming: λ » horizon

• Cosmological expansion, Thomson cross section and electron abundance conspire to activate decoupling about 380000 years after the Big Bang, at about 3000 K CMB photon temperature

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A postcard from the big bang

• From the Stephan Boltzmann law, regions at high temperature should carry high density

• The latter is activated by perturbations which are intrinsic of the fluid as well as of spacetime

• Thus, the maps of the CMB temperature is a kind of snapshot of primordial cosmological perturbations

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CMB physics: Boltzmann equation

d photons

= gravity + Compton scattering

dt

d baryons+leptons

= gravity + Compton scattering

dt

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CMB physics: Boltzmann equation

d neutrinos = gravity + weak interaction dt

d dark matter = gravity + weak interaction (?) dt

gravity = photons + neutrinos + baryons + leptons + dark matter

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CMB physics: gravity

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CMB Physics: Compton scattering

• Compton scattering is anisotropic

• An anisotropic incident intensity determines a linear polarization in the outgoing radiation

• At decoupling that happens due to the finite width of last scattering and the cosmological local quadrupole

e-

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CMB anisotropy: total intensity

+

+

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CMB anisotropy: polarization

+

+

+

Gradient (E):

Curl (B):

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Last scattering

Forming structures

LSS effects on CMB

? ?

?

? ?

? ? ?

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Categories for LSS effects on CMB

• Re-scattering

• Gravitation

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Categories for LSS effects on CMB

• Re-scattering

– Re-ionization

• Gravitation

– Time evolution of the metric tensor

– Deflection

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CMB anisotropy: reionization

e-

e-

e-

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Last scattering

Forming structures

Integrated Sachs-Wolfe

Sachs & Wolfe 1967

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Last scattering

Forming structures

Integrated Sachs-Wolfe

Sachs & Wolfe 1967

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Last scattering

Forming structures

Integrated Sachs-Wolfe

Sachs & Wolfe 1967

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Last scattering

Forming structures

Integrated Sachs-Wolfe

Sachs & Wolfe 1967

H-1

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Last scattering

Forming structures

Integrated Sachs-Wolfe

Sachs & Wolfe 1967

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Last scattering

Forming structures - lenses

CMB lensing

Bartelmann, Schneider 2001, Hu 2000

T

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Forming structures - lenses

E B

CMB lensing

Last scattering

Kamionkowski, Kosowsky & Stebbins, Zaldarriaga & Seljak1998

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T Forming structures - lenses

E B

CMB lensing

acceleration

Last scattering

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z

Energ

y d

ensity

104 0.5

dark energy

The promise of CMB lensing

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z

Ener

gy d

en

sity

104 0.5

dark energy

The promise of CMB lensing

Dark energy matter equivalence

CMB last scattering

Matter radiation equivalence

103

Dark energy domination

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z

Ener

gy d

en

sity

104 0.5

dark energy

The promise of CMB lensing

Dark energy matter equivalence

CMB last scattering

Matter radiation equivalence

103

Dark energy domination

Stru

ctu

re f

orm

atio

n

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z

Energ

y d

ensity

104 0.5

dark energy

The promise of CMB lensing

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z

Energ

y d

ensity

0.5

The promise of CMB lensing

1 1.5

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z

Energ

y d

ensity

0.5

The promise of CMB lensing

dark energy

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The promise of CMB lensing

• By geometry, the lensing cross section is non-zero at intermediate distances between source and observer

• In the case of CMB as a source, the lensing power peaks at about z=1

• Any lensing power in CMB anisotropy must be quite sensitive to the expansion rate at the onset of acceleration

Lensin

g p

robabili

ty

z 1

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z

Energ

y d

ensity

0.5

The promise of CMB lensing

Le

nsin

g p

rob

ab

ility

1 1.5

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z

Ener

gy d

en

sity

0.5

Lensing strength recording the cosmic density at the onset of acceleration

Len

sin

g p

rob

abili

ty

1 1.5

Cosmological constant

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z

Ener

gy d

en

sity

0.5

Lensing strength recording the cosmic density at the onset of acceleration

Len

sin

g p

rob

abili

ty

1 1.5

Cosmological constant

dark energy

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Anisotropies

T(θ,φ), Q(θ,φ), U(θ,φ), V(θ,φ)

X=T,E,B

X(θ,φ)=Σlm almX Ys

lm(θ,φ)

spherical

harmonics

s=0 for T, 2 for Q and U

E and B modes have opposite parity

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Angular power spectrum

T(θ,φ), Q(θ,φ), U(θ,φ), V(θ,φ)

aXlm, X=T,E,B

Cl=Σm [(almX)(alm

Y)*]/(2l+1)

spherical

harmonics

information

compression

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CMB angular power spectrum

Angle ≈ 200/l degrees

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CMB angular power spectrum

Angle ≈ 200/l degrees

Primordial power

Gravitational waves

Acoustic oscillations

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CMB angular power spectrum

Angle ≈ 200/l degrees

Primordial power

Gravitational waves

Acoustic oscillations

Reionization

Lensing

ISW

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The status of observations as set by Planck

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Planck

• Hardware: ~600 ME, third generation CMB probe, ESA medium size mission, NASA (JPL, Pasadena) contribution on cooling systems

• Low Frequency Instrument (LFI, Nazareno Mandolesi PI, instrument design and construction supervised by Marco Bersanelli) based on radiometer technology operating at three frequency channels, 30, 44, 70 GHz

• High Frequency Instrument (HFI, Jean-Loup Puget PI) based on bolometer technology, operating at 100, 143, 217, 353, 545 GHz

• About 16 years (1993-2009) of design and construction

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The Planck focal plane

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Planck detectors

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Planck frequency coverage

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Planck milestones

• May 14th, 2009, launch, the High Frequency Instrument (HFI, bolometers) is on

• June 1st, 2009, active cryogenic systems are turned on

• June 8th, 2009, the Low Frequency Instrument (LFI, radiometers), is turned on

• Summer 2009, Planck gets to L2, survey begins, 14 months

• 2 years of proprietary period and data analysis

• Mission extended! High frequency observations ended in early 2013, Low frequency observations ended this summer

• Early papers on extra-Galactic astrophysics, 2011

• Intermediate papers on extra-Galactic and Galactic astrophysics, 2012

• More astrophysics and first Cosmological Results based on total intensity, 2013

• Astrophysics and Cosmology results based on total intensity and polarization expected in 2014

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Data flow and analysis levels

• Level 1, telemetry, timeline processing, calibration

• Level 2, map-making

• Level 3, multi-frequency analysis, production of Galactic, extra-Galactic and CMB science products

Mission Operation Center, Darmstadt

Trieste LFI timeline processing and map-making

Paris HFI timeline processing and map-making

Map exchange, separation of astrophysical foreground and backgrounds, Galactic, extra-Galactic astrophysics, CMB science

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Planck contributors

Davies

Berkeley

Pasadena Rome

Helsinki

Copenhagen Brighton

Oviedo

Santander Padua

Bologna

Trieste Milan

Paris Toulouse

Oxford

Cambridge Munich

Heidelberg

Bucarest

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Planck data processing sites

Trieste Paris

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The Planck view of the sky

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The Planck view of the baby Universe

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Cosmic harmonics

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A Dark Universe

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The birth of Cosmic Structures I

• The Planck is the first single experiment mapping the Earliest cosmological structures from a few million to tens of billions light years

• The Statistical Distribution Spots on the CMB map tells us about the process which imprinted them, likely a short period of accelerated expansion, the Inflation, immediately after the Big Bang

• According to Planck, spots with smaller sizes are fainter than the ones which larger size, indicating a dynamics and an actual «end» of the Inflation

54

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The birth of Cosmic Structures II

• The Planck capability of imaging the early Universe is unprecedented

• The Statistical Distribution Spots on the CMB map tells us about the process which imprinted them, likely a short period of accelerated expansion, the Inflation, immediately after the Big Bang

• According to Planck, spots follow the Gauss distribution, which means no «order» is detected in the generation of Cosmological Perturbations

• Ripercussions of this discovery are ongoing

55

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Dark Lenses bending Light

56

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The Dark Lenses as seen by Planck

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Planck reveals Cosmic Light Bending

58

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Early dark energy and CMB lensing

Acquaviva & Baccigalupi 2006

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CMBreaking projection degeneracy

Acquaviva & Baccigalupi 2006

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CMB lensing detection

Keisler et al. 2011

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CMBroken degeneracy

Sherwin et al. 2011

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CMBroken degeneracy

Van Engelen et al. 2012

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Planck XV, 2013

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A few questions…

Carlo Baccigalupi « Cosmology from Planck 2013"

65

• Can we know more about the Inflation?

• Can we know more about the Dark Cosmological Components?

• Are there challenges to the basic cosmological principles?

• What Planck and Cosmology can tell us in the near future?

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Latest discoveries and future directions

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The first evidence of lensing B modes

Hanson et al. 2013

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The first evidence of lensing B modes

Hanson et al. 2013

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Future directions

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• Near future

– Sub-orbital experiments targeting lensing B modes

– Gradually extending fields to search for gravitational waves on the degree scale

• Far future

– The extreme early Universe: proposals for future CMB satellites

– Pushing CMB-LSS cross-correlation to its limits: Euclid

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Upper bounds on B modes

Bischoff et al. 2011

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B modes hunters

• See lambda.gsfc.nasa.gov for a full list of operation or planned experiments

• Forecasted performance from – LSPE

– EBEX

– PolarBear

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COsmic oRigin Explorer

White paper: arxiv.org/abs/1102.2181

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Satellites: Euclid, to fly in 2020

74

Next ESA selected Cosmology Satellite Mission Designed to study Dark Energy and Matter in Cosmological Structures

See the Euclid groups at ICTP, INAF-OATs, SISSA, UniTs. sci.esa.int/euclid

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Concluding remarks

• Present and future lines for CMB exploitation: – Effects from the LSS for investigating the dark components – The extreme early Universe through the quest for

detecting Cosmological Gravitational Waves

• Intense observation campaigns are being carried out from sub-orbital probes as well as satellites, for both lines

• LSS effects have been detected, and being used to constrain the Dark Cosmological Components

• B modes from gravitational lensing have been detected • The quest for B modes from Cosmological Gravitational

Waves is in progress

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Concluding remarks: Planck

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• Planck confirms the existence of Dark Energy and Matter • Bending of Light as seen by Planck reveals Dark Lenses acting in the same epoch of the

accelerated cosmic expansion • Gravitational waves, if existing, are less than 10% of the density perturbations • Sum of mass of neutrino is less than 0.2 eV • The Dark Energy is a Cosmological Constant, within errors • Planck reveals that the «transient» energy driving inflation was actually dynamic, and

«decreasing» in time • Planck sees no «order» in the process which generated cosmological perturbations • Data Analysis still ongoing, published data concern less than half of the mission • 2014: Planck increases accuracy on the above results • 2014: Planck publishes polarization data, along with constraints on Cosmological

Gravitational Waves from large scales • 2014-2016: results from sub-orbitals came on-line with constraints on Cosmological

Gravitational Waves from the degree angular scale • Beyond: studies of cross-correlation of Planck CMB and Large Scale Structure make

progresses, heading to the next Cosmology ESA Satellite • Beyond: post-Planck CMB polarisation satellite

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The scientific results that we present today are a product of the Planck Collaboration, including individuals from more than 100 scientific institutes in Europe, the USA and Canada

Planck is a project of the European Space Agency, with instruments provided by two scientific Consortia funded by ESA member states (in particular the lead countries: France and Italy) with contributions from NASA (USA), and telescope

reflectors provided in a collaboration between ESA and a scientific Consortium led and funded by Denmark.

CITA – ICAT

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI

DI MILANO

ABabcdfghiejkl

Carlo Baccigalupi « Cosmology from Planck 2013"

77

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Carlo Baccigalupi SISSA, Trieste

On behalf of the Planck collaboration

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Trieste, time ordered data processing,

Component separation, cosmological parameters

Rome, GLS map-making, power spectra,

cosmological parameters

Bologna, beam reconstruction,

power spectra,

cosmological parameters

The LFI DPC

Helsinki, destriper map-making

Milano, calibration,

component separation

Berkeley, simulations

Padova, component separation

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The Planck Data Processing Centre

Carlo Baccigalupi « Cosmology from Planck 2013"

80

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A mini-Dark Energy course

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Fighting the cosmological constant

Gµν=8πTµν

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Fighting the cosmological constant

Gµν+Λg µν=8πTµν +Vgµν

geometry

quantum vacuum

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Fighting the cosmological constant

Λ:???

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Fighting the cosmological constant

Λ:???

V:M4Planck

???

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Fighting the cosmological constant

Λ:???

V:M4Planck

???

|Λ-V|/M4Planck≲10

-123

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Fighting the cosmological constant

Λ:???

V:M4Planck

???

|Λ-V|/M4Planck=10-123

percent precision

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(Boh?)2

• Why so small with respect to any other known energy scale in physics?

• Why comparable to the matter energy density today?

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z

Ener

gy d

en

sity

104 0.5

dark energy

Dark Energy

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z

Ener

gy d

en

sity

104 0.5

cosmological constant

Dark Energy

Einstein 1916

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z

Ener

gy d

en

sity

104 0.5

tracking quintessence

Dark Energy

Ratra & Peebles, 1988

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z

Ener

gy d

en

sity

104 0.5

early quintessence

Dark Energy

Wetterich 1988

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z

Ener

gy d

en

sity

104 0.5

Dark Energy

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z

Ener

gy d

en

sity

104 0.5

dark energy

Parametrizing cosmic acceleration is …

ρ(z)

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z

Ener

gy d

en

sity

104 0.5

…parametrizing cosmic density

ρ∝(1+z)3[1+w]

constant w

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z

Ener

gy d

en

sity

104 0.5

Parametrizing cosmic density

ρ∝exp{3∫0z [1+w(z)]dz/(1+z)}

variable w

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a=1/(1+z)

w

0.5 1

w=w0-wa(1-a)=w0+(1-a)(w∞-w0)

-1

w0

w∞

Chevallier & Polarski 2001, Linder 2003

Constraining Dark Energy: models

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a=1/(1+z)

w

0.5 1

-1

Crittenden & Pogosian 2006, Dick et al. 2006,Said et al. 2013

Constraining Dark Energy: binning

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Constraining Dark Energy: latest pre-Planck constraints

Said et al. 2013

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Cosmological expansion and CMB: projection

D= H0-1

dz

[ΣiΩi(1+z)3(1+wi)]1/2 ∫ 0

z

w D

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Cosmological expansion and CMB: Integrated Sachs-Wolfe

Cosmological friction for cosmological perturbations∝H

w ρ H

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Integrated Sachs-Wolfe

Cosmological friction for cosmological perturbations∝H

w ρ H

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Cross-correlating with LSS

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Cross-correlating with LSS

Perturbation statistics and dynamics → early Universe

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Cross-correlating with LSS

Geometry and perturbation dynamics → dark energy effects

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ISW-LSS correlation detection

Fosalba, Gaztagnaga 2003 Padmanabhan et al. 2005

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ISW-LSS impact on cosmology

Xia et al. 2010 Giannantonio et al. 2008

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Planck XIX, 2013

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Planck XIX, 2013

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CMB lensing

Acquaviva et al. 2004

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CMB lensing

Geometry Acquaviva et al. 2004

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CMB lensing

Perturbation dynamics Acquaviva et al. 2004