sid.inpe.br/mtc-m19/2015/02.02.13.40-TDI ESTIMADOR DE NÃO GAUSSIANIDADE NA RADIAÇÃO CÓSMICA DE FUNDO E SIMULAÇÕES PARA A MISSÃO OLIMPO Camila Paiva Novaes Tese de Doutorado do Curso de Pós-Graduação em Astrofísica, orientada pelo Dr. Carlos Alexandre Wuensche de Souza, aprovada em 27 de fevereiro de 2015. URL do documento original: <http://urlib.net/8JMKD3MGP7W/3HSE7T8> INPE São José dos Campos 2015 PUBLICADO POR: Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais - INPE Gabinete do Diretor (GB) Serviço de Informação e Documentação (SID) Caixa Postal 515 - CEP 12.245-970 São José dos Campos - SP - Brasil Tel.:(012) 3208-6923/6921 Fax: (012) 3208-6919 E-mail: [email protected] COMISSÃO DO CONSELHO DE EDITORAÇÃO E PRESERVAÇÃO DA PRODUÇÃO INTELECTUAL DO INPE (DE/DIR-544): Presidente: Marciana Leite Ribeiro - Serviço de Informação e Documentação (SID) Membros: Dr. Gerald Jean Francis Banon - Coordenação Observação da Terra (OBT) Dr. Amauri Silva Montes - Coordenação Engenharia e Tecnologia Espaciais (ETE) Dr. André de Castro Milone - Coordenação Ciências Espaciais e Atmosféricas (CEA) Dr. Joaquim José Barroso de Castro - Centro de Tecnologias Espaciais (CTE) Dr. Manoel Alonso Gan - Centro de Previsão de Tempo e Estudos Climáticos (CPT) Dra Maria do Carmo de Andrade Nono - Conselho de Pós-Graduação Dr. Plínio Carlos Alvalá - Centro de Ciência do Sistema Terrestre (CST) BIBLIOTECA DIGITAL: Dr. Gerald Jean Francis Banon - Coordenação de Observação da Terra (OBT) Clayton Martins Pereira - Serviço de Informação e Documentação (SID) REVISÃO E NORMALIZAÇÃO DOCUMENTÁRIA: Simone Angélica Del Ducca Barbedo - Serviço de Informação e Documentação (SID) Yolanda Ribeiro da Silva Souza - Serviço de Informação e Documentação (SID) EDITORAÇÃO ELETRÔNICA: Marcelo de Castro Pazos - Serviço de Informação e Documentação (SID) André Luis Dias Fernandes - Serviço de Informação e Documentação (SID) sid.inpe.br/mtc-m19/2015/02.02.13.40-TDI ESTIMADOR DE NÃO GAUSSIANIDADE NA RADIAÇÃO CÓSMICA DE FUNDO E SIMULAÇÕES PARA A MISSÃO OLIMPO Camila Paiva Novaes Tese de Doutorado do Curso de Pós-Graduação em Astrofísica, orientada pelo Dr. Carlos Alexandre Wuensche de Souza, aprovada em 27 de fevereiro de 2015. URL do documento original: <http://urlib.net/8JMKD3MGP7W/3HSE7T8> INPE São José dos Campos 2015 Dados Internacionais de Catalogação na Publicação (CIP) Novaes, Camila Paiva Novaes. N856e Estimador de não gaussianidade na radiação cósmica de fundo e simulações para a missão OLIMPO / Camila Paiva Novaes. – São José dos Campos : INPE, 2015. xxvii + 194 p. ; (sid.inpe.br/mtc-m19/2015/02.02.13.40-TDI) Tese (Doutorado em Astrofísica) – Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais, São José dos Campos, 2015. Orientador : Dr. Carlos Alexandre Wuensche de Souza. 1. RCF. 2. Aglomerados de galáxias. 3. Efeito Sunyaev- Zel’Dovich. 4. Não gaussianidade. I.Título. CDU 523:165:539.1 Esta obra foi licenciada sob uma Licença Creative Commons Atribuição-NãoComercial 3.0 Não Adaptada. This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 3.0 Unported License. ii “Se as coisas são inatingíveis... ora! Não é motivo para não querê-las... Que tristes os caminhos, se não fora A presença distante das estrelas!” Mário Quintana v Aos Meus Pais, Neia e Donizette, e ao meu noivo, Claudio. vii AGRADECIMENTOS Sempre há pessoas especiais que contribuíram para tornar nossas conquistas possí- veis. Neste momento tão importante em minha vida não seria diferente, e sou grata a Deus por colocar todas elas em meu caminho. Por isso agradeço sinceramente ... A minha família, pela confiança, apoio e amor que me dedicaram durante toda a minha vida, e em especial minha mãe, meu pilar de sempre. Por mais que eu tentasse não encontraria palavras para descrever todo sentimento de gratidão e amor por vocês. Ao meu noivo Claudio Faustino, pela imensa dedicação e apoio todos estes anos, e, em especial, por todas as discussões e verdadeiras “aulas”, fundamentais para o desenvolvimento do meu trabalho. Obrigada pela força, por cuidar de mim, aguentar minhas reclamações e pela paciência (quase exaurida) durante o ano em que estive fora. Aos meus amigos no INPE, Mariana Chinaglia, eternamente insubstituível, Manuel Castro, Pedro Moraes, Mariana Cunha, Eunice Bezerra e Mariana Penna, e aos ami- gos que pude fazer durante minha experiência no exterior, Sheyse Martins, Danniele Buzi e Maria Salatino, agradeço a vocês pelo companheirismo sempre. Ao amigo Armando Bernuí, meu orientador “extraoficial”, pelas inúmeras discussões e grande contribuição para o desenvolvimento do meu trabalho. E ao Ivan Ferreira, pelas discussões. Ao meu orientador e amigo Alexandre Wuensche, pela confiança (até um pouco demais) e por me aguentar durante tantos anos. Sentirei sua falta. Aos professores Paolo de Bernardis e Silvia Masi, da Universidade de Roma “La Sa- pienza”, pela preciosa colaboração para o desenvolvimento de parte do meu trabalho de doutorado. Aos funcionários do INPE com quem convivo há anos, em especial ao Alan, que, juntamente ao Manuel e Eunice, paravam seus trabalhos a qualquer momento para ligar meu computador sempre que precisava, e à Valéria e Conceição, por toda ajuda e dedicação. Aos professores Armando Bernuí, Raul Abramo, Dennis Bessada, Oswaldo Miranda e Thyrso Villela por aceitarem participar da minha banca de defesa de tese. ix A todos os professores, que contribuíram para minha formação, aos colegas, e todas as pessoas com quem tenho convivido e que contribuíram de alguma forma para realização deste trabalho. Por fim agradeço à Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Supe- rior (CAPES) e ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) pelo apoio financeiro. x RESUMO O campo de flutuações de temperatura da Radiação Cósmica de Fundo (RCF) está diretamente relacionado às flutuações primordiais de densidade que deram origem às estruturas cosmológicas. A análise da RCF e a procura por desvios da condição Gaussiana, prevista no modelo cosmológico padrão, são essenciais para a compreen- são do universo primordial e para o fortalecimento das bases da cosmologia moderna. No entanto, existem processos secundários de produção de flutuações de tempera- tura que podem mascarar o sinal primordial da RCF, dificultando o estudo de suas propriedades intrínsecas, como é o caso do efeito Sunyaev-Zel’dovich (SZ). Além de sua importância intrínseca para o estudo da RCF, medidas combinadas do efeito SZ, cujo perfil característico é medido entre 30 e 400 GHz, aproximadamente, e em outros comprimentos de onda também podem ser usadas para obter informações cosmológicas. Este trabalho contribui para um melhor entendimento do sinal pri- mário ao estudar possíveis desvios primordiais da condição Gaussiana em mapas da RCF produzidos pelo satélite Planck, e estuda o potencial do telescópio OLIMPO, desenvolvido pelo grupo de cosmologia da Universidade de Roma “La Sapienza”, de detectar o efeito SZ e usar os resultados para estimar parâmetros cosmológicos com confiabilidade. O primeiro tema consistiu no desenvolvimento de um estimador ba- seado na combinação de duas ferramentas estatísticas que têm se mostrado bastante sensíveis a pequenos desvios de Gaussianidade em mapas da RCF: os Funcionais de Minkowski (FMs), já amplamente utilizados no estudo de sinais não-Gaussianos, e as Redes Neurais Artificiais (RNs), designadas para identificar padrões característicos em conjuntos de dados. O estimador foi testado em diferentes condições, de forma a otimizar o uso das RNs, levando a uma melhor atuação destas ao discriminar entre sinais primários e secundários. Além disso, testes em dados sintéticos mostraram uma eficiência de 95% do estimador ao identificar o grau de não-Gaussianidade des- tes mapas. Por fim, os resultados obtidos para o desvio de Gaussianidade nos dados do Planck indicam que fNL = 44 ± 14, com 2σ de confiabilidade, estando em con- cordância com resultados recentes obtidos pelas colaborações Planck e WMAP. O segundo tema corresponde ao estágio sanduíche desenvolvido em colaboração com o grupo de Cosmologia da Universidade de Roma “La Sapienza”, visando ajudar na preparação para a missão do telescópio OLIMPO, um instrumento projetado para estudar o efeito SZ, operando em quatro bandas de frequência com elevada sensibi- lidade. A principal contribuição para a missão foi a análise do potencial de medidas fotométricas e espectroscópicas do OLIMPO para a estimativa de parâmetros de aglomerados. Nós realizamos simulações de medidas espectroscópicas e fotométricas da linha de visada que atravessa um dos aglomerados de galáxias escolhidos para observação do instrumento. Utilizando cada tipo de simulação individualmente e combinadas, nós concluímos que, como esperado, simulações espectroscópicas apre- sentam uma performance superior, permitindo a estimativa de um conjunto maior de parâmetros de aglomerados e sendo mais precisas na estimativa de alguns deles. Além disso, a combinação de simulações espectroscópicas e fotométricas pode ainda melhorar a estimativa de alguns parâmetros. xi Palavras-chave: RCF. Aglomerados de Galáxias. Efeito Sunyaev-Zel’dovich. Não- Gaussianidade. xii ESTIMATOR OF NON-GAUSSIANITY IN THE COSMIC BACKGROUND RADIATION AND SIMULATIONS FOR THE OLIMPO MISSION ABSTRACT The temperature fluctuations field of the Cosmic Microwave Background (CMB) Radiation is directly related to the primordial density fluctuations which gave rise to the cosmological structures. The analysis of the CMB and the search for devia- tions from the Gaussian condition, assumed in the standard cosmological model,