QUIJOTE-MFI: Optics Characterisation and Polarisation Measurements of CMB Foregrounds

Abstract

The study of the Cosmic Microwave Background (CMB) anisotropies is one of the key tools of Modern Cosmology. The most important limitations of the experiments aimed at measuring both the intensity and the polarisation of the CMB are the systematics and the foregrounds, i.e. the Milky Way diffuse emission. This thesis will be devoted to the characterisation of these two as- pects, with particular regard to the Multi-Frequency Instrument (MFI) of the QUIJOTE (Q-U-I JOint TEnerife) experiment. The MFI consists of four horns that can measure intensity and polarisa- tion between 10 and 20 GHz at angular resolutions between 40’ and 57’. It has been operative almost continuously since November 2012, providing data of several calibrators, Galactic sources and extended fields for cosmological anal- yses. The first part of this thesis consists in the full characterisation of the optics of the MFI. The main beams are obtained through geostationary satel- lites observations and the results are confirmed with simulations and Cassiopeia A observations. We measure ellipticities > 0.92 and beam efficiencies > 0.90 in all horns. We estimate the level of the first sidelobe at -40 dB at 11 GHz, and the far sidelobes are found at a level of -70 dB, which is unprecedented for a microwave experiment. The M ̈uller matrices formalism is used to analyse the polarisation response of the instrument. The main contaminant to CMB obser- vation is the intensity-to-polarisation leakage, which is below 1% at 11 GHz in the MFI. The major contaminants to the CMB polarisation are the synchrotron ra- diation and the dust emission of our Galaxy. The MFI is specifically designed to characterise the former type of emission, which is found mainly along the Galactic plane and in a region around the Galactic centre called Haze but can be found also at higher Galactic latitudes. In the second part of thesis we analyse ≈ 1300 hours of MFI data, covering four fields: W44, W49, W63 and the Haze. We produce the spectral energy distributions of 13 compact sources and adjust them with physical parameters that model the synchrotron, free-free and ther- mal dust emission. Also, a phenomenological model is used for the anomalous microwave emission, which has been found in 11 sources. The diffuse emission is studied in the Haze region. We found that its main component is free-free at low Galactic latitudes and synchrotron at b ≈ 8 o . In polarisation, we measure a spectral index of -2.54 in temperature, which is in agreement with the Haze spectrum measured by Planck.

El estudio de las anisotropías de la Radiación Cósmica de Microondas (RCM) es una de las herramientas clave de la cosmología moderna. Las principales limitaciones en los experimentos dedicados a las medidas tanto de intensidad como de polarización de la RCM son los errores sistemáticos de la instrumentación y los contaminantes en el cielo, principalmente la emisión difusa de nuestra Galaxia. Esta tesis está dedicada a la caracterización de estos dos aspectos en relación con el Instrumento MultiFrequencia (MFI) del experimento QUIJOTE (Q-U-I JOint TEnerife). El MFI consta de cuatro bocinas que miden intensidad y polarización entre 10 y 20 GHz con una resolución entre 40 y 57 minutos de arco. Está operativo desde noviembre de 2012 habiendo proporcionado datos de varios calibradores, fuentes Galácticas y campos extensos para análisis cosmológico. La primera parte de esta tesis consiste en la completa caracterización de los haces del MFI. Los haces principales son medidos a través de observaciones de satélites geoestacionarios, y los resultados son confirmados con simulaciones y observaciones de Cassiopeia A. Se han medido elipticidades > 0.92 y eficiencias del haz > 0.90 en todas las bocinas. La estimación del nivel del primer lóbulo lateral es de -40 dB a 11 GHz, mientras los lóbulos laterales lejanos se encuentran a un nivel de -70 dB, lo cual no tiene antecedentes en experimentos de microondas. La respuesta en polarización del instrumento es estudiada con el formalismo de las matrices de Müller. El principal contaminante a las observaciones de la RCM es constituido por las pérdidas de intensidad a polarización, que están por debajo del 1% a 11 GHz en el MFI. Los mayores contaminantes en polarización de la RCM son la radiación de sincrotrón y la emisión del polvo de nuestra Galaxia. El MFI está especialmente diseñado para caracterizar el primer tipo de radiación que, aunque se encuentra principalmente a lo largo del plano de la Galaxia y en una zona cercana al centro Galáctico llamada “Haze”, puede alcanzar latitudes Galácticas bastante elevadas. En la segunda parte de esta tesis se analizan ≈ 1300 horas de datos del MFI, repartidos en cuatro campos: W44, W49, W63 y el Haze. Se producen las distribuciones espectrales de energía de 13 fuentes compactas y se ajustan con parámetros físicos que modelan la emisión de sincrotrón, de libre-libre y de polvo térmico. Un modelo fenomenológico es usado para la emisión anómala de microondas, que ha sido encontrada en 11 fuentes. La emisión difusa es estudiada en la región del Haze. Su componente principal es libre-libre a bajas latitudes Galácticas y sincrotrón a b ≈ 8 o . En polarización, se mide un índice espectral de -2.54 en temperatura, lo cual está en acuerdo con el espectro del Haze que midió Planck.