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Differentiable simulations of the cosmic microwave background
Jeanne Eder
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Geowissenschaften, Geographie und Astronomie
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Astronomy
Betreuer*in
Oliver Hahn
DOI
10.25365/thesis.79037
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-26948.65131.317942-9
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Die kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung (CMB) ist eines der leistungsfähigsten Tools zur Untersuchung des frühen Universums. Insbesondere spielt sie eine zentrale Rolle bei der Beschreibung und der Vorhersage der Entwicklung von Dichteperturbationen, aus denen die heute beobachtbaren großräumigen Strukturen hervorgegangen sind. Die kosmische Hintergrundstrahlung ist ein Relikt aus der Frühzeit des Universums und wurde in dem Moment freigesetzt, als sich Photonen vom primordialen Plasma entkoppelten. Die beobachtbaren Fluktuationen im Temperaturfeld der kosmischen Hintergrundstrahlung weisen eine so geringe Amplitude auf, dass sie im Rahmen der linearer Störungstheorie beschrieben werden können - mit den linearisierten Einstein-Boltzmann Gleichungen. Die Einstein-Boltzmann Gleichungen sind ein System partieller Differenzialgleichungen, das die Entwickung von Metrik und Energiedichtefluktationen in einem gestörten Friedmann-Lemaitre-Robertson-Walker (FLRW) Universum beschreibt. Zur Lösung dieser Gleichung ist ein numerischer Einstein-Boltzmann Solver, wie zum Beispiel das ethablierte CAMB [1], erfoderlich. Die Kosmologiegruppe am Wiener Instituts für Astrophysik hat jedoch mit DISCO-EB [2] ihren eigenen Einstein-Boltzmann entwickelt, der vollständig im JAX-Framework implementiert ist. JAX ist eine Python-Bibliothek, die automatische Differenzierung unterstützt. Dadurch ist DISCO-EB vollständig differenzierbar und erlaubt eine effiziente Beurteilung der Sensitivität kosmologischer Observablen gegenüber den zugrundeliegenden Modellparametern [3]. Dies macht DISCO-EB zu einem wertvollen Tool für moderne kosmologische Inferenz. Diese Arbeit basiert auf dem DISCO-EB Rahmenwerk und hat das Ziel das Temperaturanisotropiespektrum des CMB zu berechnen. Der Schwerpunkt liegt auf der Entwicklung einer numerischen Pipeline, die die von DISCO-EB berechhneten kosmologischen Perturbationen nutzt, um mittels einer Line-of-Sight Integration die beobachtbaren Temperaturanisotropien zu rekonstruieren. Darüber hinaus werden simulierte Anisotropiekarten des CMB-Himmels erzeugt.
Abstract
(Englisch)
The Cosmic Microwave Background (CMB) is one of the most powerful probes of the early universe for describing, predicting and studying the evolution of density perturbations that seeded the large-scale structure observed today. The CMB is a relic radiation that was released in the early universe when photons decoupled from the primordial plasma. The observed anisotropies in the CMB temperature field, are small enough in amplitude to be accurately described using linear perturbation theory. In particular these perturbations are governed by the linearized Einstein-Boltzmann equations, a set of coupled partial differential equations that describe the evolution of metric and energy density fluctuations in a perturbed Friedmann-Lemaitre-Robertson-Walker (FLRW) universe. Solving these equations requires a numerical Einstein-Boltzmann solver, such as the well established CAMB [1]. However, the Vienna cosmology group has developed their own Einstein-Boltzmann solver DISCO-EB [2], which is implemented in the JAX framework, a python library allowing for automatic differentiation. This makes the solver entirely differentiable and enables the possibility to assess the sensitivity of model predictions and observables to model parameters [3], making it a powerful tool for modern cosmological inference. The thesis builds on the DISCO-EB framework to compute the angular temperature-temperature anisotropy power spectrum of the CMB. The main objective is to develop a robust and efficient numerical pipeline that takes the perturbation outputs from DISCO-EB and computes the observed temperature anisotropies through line-of-sight integration. Additionally, simulated anisotropy maps of the CMB sky are generated.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Kosmologie Kosmische Hintergrundstrahlung Computerbasierte Astrophysik Python JAX Simulationen
Schlagwörter
(Englisch)
Cosmology Cosmic microwave background Computational astropyhsics Python JAX Simulations
Autor*innen
Jeanne Eder
Haupttitel (Englisch)
Differentiable simulations of the cosmic microwave background
Paralleltitel (Deutsch)
Differenzierbare Simulationen der kosmischen Hintergrundstrahlung
Publikationsjahr
2025
Umfangsangabe
xiii, 69 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Oliver Hahn
Klassifikation
39 Astronomie > 39.30 Kosmologie
AC Nummer
AC17612356
Utheses ID
77104
Studienkennzahl
UA | 066 | 861 | |