From the Ends of the Earth to the Edge of the Universe: Building CMB Experiments in Extreme Environments

Cosmic microwave background (CMB) experiments, unlike humans, function most effectively in the absence of air and water. Because microwave radiation is readily absorbed by the atmosphere—by water vapour especially—CMB observatories tend to be placed in remote high-altitude deserts, in the stratosphere, or in space. Each location has advantages and disadvantages that must be factored into the project design. This work examines the environmental challenges faced by modern CMB experiments and presents the solutions employed by Spider, a stratospheric balloon-borne polarimeter, and the Simons Observatory, a ground-based telescope array in the Atacama Desert. Specific focus is placed on showing how the supporting infrastructure of these projects, from the hardware for the supporting structures and mechanical controls, to the software for signal processing and data management, can be designed to maximize the scientific output. Application of these ideas can be seen in the carbon-fibre structure and reaction wheel of the Spider payload, the transfer matrix for correcting instrumental effects, and the Bookbinder module for rapid on-site data archival. The Spider experiment completed its second flight around Antarctica during the austral summer season of 2022–23, while the Simons Observatory, where the Bookbinder is currently deployed, is slated to begin observations in mid-2024. Contrairement aux humains, les expériences du fond diffus cosmologique (FDC, ou CMB en anglais) fonctionnent le plus effectivement en l'absence de l'air et de l'eau. Comme les rayonnements micro-ondes sont facilement absorbés par l'atmosphère – surtout par la vapeur d'eau – les observatoires du CMB sont placés dans des déserts de haute altitude, dans la stratosphère ou dans l'espace. Chacun de ces emplacements a ses propres avantages et inconvénients qui doivent être considérés dans la conception du projet. Cette œuvre examine les défis environnementaux auxquels font face les expériences modernes du CMB et présente les solutions utilisées par Spider, un polarimètre embarqué par un ballon stratosphérique, et l'Observatoire Simons, un reseau de télescopes terrestres dans le Désert d'Atacama. L'emphase est mise sur la façon avec laquelle l'infrastructure de support de ces projets (les matériaux pour les structures et le contrôle mécanique, de même que les logiciels pour le traitement des signaux et la gestion des données) peut être conçue pour maximiser la production scientifique. L'application de ces idées peut être vue dans la structure construite en fibres de carbone et le volant d'inertie de la charge utile de Spider, ainsi que dans la matrice de transfert pour la correction des effets instrumentaux et le module Bookbinder pour l'archive des données rapide sur place. L'expérience Spider a réalisé son deuxième vol autour de l'Antarctique pendant l'été austral 2022–23, alors que l'Observatoire Simons, où est déployé le Bookbinder, prévoit le début des observations au milieu de l'année 2024.

Keywords: Cosmic Microwave Background
Cosmology
Inflation
Stratospheric Balloon
Advisor: Netterfield, Barth
Hincks, Adam D.