Making the best of cosmological perturbations: theory and data analysis

Cosmology has entered the precision epoch thanks to several very accurate experiments. Cosmologists now have access to an array of tools to test the cosmological concordance model and constrain its parameters; the Cosmic Microwave Background radiation (CMB), in particular, has been playing a crucial role in this ambition. Many questions remain nonetheless unanswered, especially concerning the physics of the early Universe, the infl ationary mechanism which set the initial conditions for the Universe expansion, and the nature of the late time acceleration of the Universe expansion. My research contributes to both of these sub jects, the common ground being the development of a statistical tool - needlets, a new "frame" on the sphere - to analyse the CMB. By means of needlets, we measure the Integrated Sachs Wolfe effect by cross-correlating WMAP and NVSS datasets and characterise dark energy properties using a phenomenological fluid model. Motivated by our findings, we study in detail a parameterisation of the dark components, dark matter and dark energy, which makes use of an affine equation of state, constraining the parameters of the model by combining WMAP and SDSS datasets. We apply needlets to the WMAP 5-year data release testing the Gaussianity of the CMB perturbations. Our approach is twofold: we first focus on the maps, detecting anomalous spots located in the southern hemisphere and check their effect on the angular power spectrum. We next measure the needlet three-point correlation function (bispectrum) and characterise it in terms of its overall amplitude, constraining the primordial fNL parameter, and considering its properties according to the geometry of the triangle configurations which contribute to the total power. We find a significant anomaly in the isosceles confi gurations, again in the southern hemisphere. Finally we focus on the construction of an optimal estimator for the (needlets) bispectrum, taking into account foreground residuals due mainly to Galactic emission.

Grazie a esperimenti estremamente raffinati, la cosmologia moderna si trova oggi in quella che puo' essere defi nita l' epoca della precisione. I cosmologi dispongono di una grande quatita' di strumenti per testare il cosiddetto modello cosmologico di concordanza e vincolarne i principali parametri. In particolare, la radiazione cosmica di fondo (CMB) ha svolto, e svolge tutt'oggi, un ruolo chiave in questo ambito. Numerose domande rimangono tuttavia ancora in attesa di una risposta, in particolare quelle che riguardano la fisica dell'inflazione, che ha governato l'Universo nelle prime fasi di evoluzione, e la natura dell' accelerazione dell' espansione dell'Universo, che e' stata osservata negli ultimi anni. La mia attivita' di ricerca ha contribuito ad approfondire lo studio e la conoscenza su entrambe le tematiche, che sono state accomunate dallo sviluppo e dall'utilizzo delle needlets - una nuova "frame" sulla sfera - per analizzare la CMB. Con questo strumento, abbiamo misurato l'effetto Sachs-Wolfe integrato, correlando i dati di WMAP e NVSS, e caratterizzato le proprieta' della dark energy, seguendo un approccio fenomenologico che si basa sull'approssimazione di fl uido perfetto. Stimolati dai risultati ottenuti, abbiamo studiato in dettaglio un modello unifi cato per le componenti di dark energy e dark matter, che fa uso di un'equazione di stato affi ne, e investigato i vincoli sui parametri di questo modello provenienti da WMAP e SDSS. Abbiamo quindi applicato le needlets ai dati di WMAP 5-anni allo scopo di studiare la gaussianita' della distribuzione delle perturbazioni della CMB. Ci siamo dapprima concentrati sulle mappe, rilevando la presenza di regioni anomale, localizzate nell' emisfero meridionale, e studiando l'effetto che queste regioni hanno sullo spettro di potenza angolare. Successivamente, abbiamo misurato la funzione di correlazione a tre punti (bispettro) delle needlets caratterizzandola in termini della sua ampiezza complessiva, descritta dal parametro fNL, e secondo la geometria delle configurazioni triangolari che contribuiscono al segnale totale. Abbiamo misurato una significativa anomalia nelle confi gurazioni isosceli, nuovamente presente nell'emisfero meridionale. Infine, ci siamo concentrati sulla costruzione di un estimatore per il bispettro delle needlets, includendo l'effetto spurio che puo' essere introdotto dalla presenza di eventuale segnale residuo, proveniente da sorgenti di natura prevalentemente Galattica.