We present the first results based on Planck measurements of the CMB temperature and lensing-potential power spectra. The Planck spectra at high multipoles are extremely well described by the standard spatially-flat six-parameter LCDM cosmology. In this model Planck data determine the cosmological parameters to high precision. We find a low value of the Hubble constant, H0=67.3+/-1.2 km/s/Mpc and a high value of the matter density parameter, Omega_m=0.315+/-0.017 (+/-1 sigma errors) in excellent agreement with constraints from baryon acoustic oscillation (BAO) surveys. Including curvature, we find that the Universe is consistent with spatial flatness to percent-level precision using Planck CMB data alone. We present results from an analysis of extensions to the standard cosmology, using astrophysical data sets in addition to Planck and high-resolution CMB data. None of these models are favoured significantly over standard LCDM. The deviation of the scalar spectral index from unity is insensitive to the addition of tensor modes and to changes in the matter content of the Universe. We find a 95% upper limit of r<0.11 on the tensor-to-scalar ratio. There is no evidence for additional neutrino-like relativistic particles. Using BAO and CMB data, we find N_eff=3.30+/-0.27 for the effective number of relativistic degrees of freedom, and an upper limit of 0.23 eV for the summed neutrino mass. Our results are in excellent agreement with big bang nucleosynthesis and the standard value of N_eff=3.046. We find no evidence for dynamical dark energy. Despite the success of the standard LCDM model, this cosmology does not provide a good fit to the CMB power spectrum at low multipoles, as noted previously by the WMAP team. While not of decisive significance, this is an anomaly in an otherwise self-consistent analysis of the Planck temperature data.

The European Space Agency’s Planck satellite, dedicated to studying the early Universe and its subsequent evolution, was launched 14 May 2009 and has been scanning the microwave and submillimetre sky continuously since 12 August 2009. In March 2013, ESA and the Planck Collaboration released the initial cosmology products based on the first 15.5 months of Planck data, along with a set of scientific and technical papers and a web-based explanatory supplement. This paper gives an overview of the mission and its performance, the processing, analysis, and characteristics of the data, the scientific results, and the science data products and papers in the release. The science products include maps of the cosmic microwave background (CMB) and diffuse extragalactic foregrounds, a catalogue of compact Galactic and extragalactic sources, and a list of sources detected through the Sunyaev-Zeldovich effect. The likelihood code used to assess cosmological models against the Planck data and a lensing likelihood are described. Scientific results include robust support for the standard six-parameter ΛCDM model of cosmology and improved measurements of its parameters, including a highly significant deviation from scale invariance of the primordial power spectrum. The Planck values for these parameters and others derived from them are significantly different from those previously determined. Several large-scale anomalies in the temperature distribution of the CMB, first detected by WMAP, are confirmed with higher confidence. Planck sets new limits on the number and mass of neutrinos, and has measured gravitational lensing of CMB anisotropies at greater than 25σ. Planck finds no evidence for non-Gaussianity in the CMB. Planck’s results agree well with results from the measurements of baryon acoustic oscillations. Planck finds a lower Hubble constant than found in some more local measures. Some tension is also present between the amplitude of matter fluctuations (σ8) derived from CMB data and that derived from Sunyaev-Zeldovich data. The Planck and WMAP power spectra are offset from each other by an average level of about 2% around the first acoustic peak. Analysis of Planck polarization data is not yet mature, therefore polarization results are not released, although the robust detection of E-mode polarization around CMB hot and cold spots is shown graphically.

We analyse the implications of the Planck data for cosmic inflation. The Planck nominal mission temperature anisotropy measurements, combined with the WMAP large-angle polarization, constrain the scalar spectral index to be ns = 0.9603 ± 0.0073, ruling out exact scale invariance at over 5σ.Planck establishes an upper bound on the tensor-to-scalar ratio of r< 0.11 (95% CL). The Planck data thus shrink the space of allowed standard inflationary models, preferring potentials with V′′< 0. Exponential potential models, the simplest hybrid inflationary models, and monomial potential models of degree n ≥ 2 do not provide a good fit to the data. Planck does not find statistically significant running of the scalar spectral index, obtaining dns/ dlnk = − 0.0134 ± 0.0090. We verify these conclusions through a numerical analysis, which makes no slow-roll approximation, and carry out a Bayesian parameter estimation and model-selection analysis for a number of inflationary models including monomial, natural, and hilltop potentials. For each model, we present the Planck constraints on the parameters of the potential and explore several possibilities for the post-inflationary entropy generation epoch, thus obtaining nontrivial data-driven constraints. We also present a direct reconstruction of the observable range of the inflaton potential. Unless a quartic term is allowed in the potential, we find results consistent with second-order slow-roll predictions. We also investigate whether the primordial power spectrum contains any features. We find that models with a parameterized oscillatory feature improve the fit by Δχ2eff ≈ 10; however, Bayesian evidence does not prefer these models. We constrain several single-field inflation models with generalized Lagrangians by combining power spectrum data with Planck bounds on fNL. Planck constrains with unprecedented accuracy the amplitude and possible correlation (with the adiabatic mode) of non-decaying isocurvature fluctuations. The fractional primordial contributions of cold dark matter (CDM) isocurvature modes of the types expected in the curvaton and axion scenarios have upper bounds of 0.25% and 3.9% (95% CL), respectively. In models with arbitrarily correlated CDM or neutrino isocurvature modes, an anticorrelated isocurvature component can improve the χ2eff by approximately 4 as a result of slightly lowering the theoretical prediction for the ℓ ≲ 40 multipoles relative to the higher multipoles. Nonetheless, the data are consistent with adiabatic initial conditions.

This paper characterizes the effective beams, the effective beam window functions and the associated errors for the Planck High Frequency Instrument (HFI) detectors. The effective beam is theangular response including the effect of the optics, detectors, data processing and the scan strategy. The window function is the representation of this beam in the harmonic domain which is required to recover an unbiased measurement of the cosmic microwave background angular power spectrum. The HFI is a scanning instrument and its effective beams are the convolution of: a) the optical response of the telescope and feeds; b) the processing of the time-ordered data and deconvolution of the bolometric and electronic transfer function; and c) the merging of several surveys to produce maps. The time response transfer functions are measured using observations of Jupiter and Saturn and by minimizing survey difference residuals. The scanning beam is the post-deconvolution angular response of the instrument, and is characterized with observations of Mars. The main beam solid angles are determined to better than 0.5% at each HFI frequency band. Observations of Jupiter and Saturn limit near sidelobes (within 5°) to about 0.1% of the total solid angle. Time response residuals remain as long tails in the scanning beams, but contribute less than 0.1% of the total solid angle. The bias and uncertainty in the beam products are estimated using ensembles of simulated planet observations that include the impact of instrumental noise and known systematic effects. The correlation structure of these ensembles is well-described by five error eigenmodes that are sub-dominant to sample variance and instrumental noise in the harmonic domain. A suite of consistency tests provide confidence that the error model represents a sufficient description of the data. The total error in the effective beam window functions is below 1% at 100 GHz up to multipole ℓ ~ 1500, and below 0.5% at 143 and 217 GHz up to ℓ ~ 2000.

The two fundamental assumptions of the standard cosmological model – that the initial fluctuations are statistically isotropic and Gaussian – are rigorously tested using maps of the cosmic microwave background (CMB) anisotropy from the Planck satellite. The detailed results are based on studies of four independent estimates of the CMB that are compared to simulations using a fiducial ΛCDM model and incorporating essential aspects of the Planck measurement process. Deviations from isotropy have been found and demonstrated to be robust against component separation algorithm, mask choice, and frequency dependence. Many of these anomalies were previously observed in the WMAP data, and are now confirmed at similar levels of significance (about 3σ). However, we find little evidence of non-Gaussianity, with the exception of a few statistical signatures that seem to be associated with specific anomalies. In particular, we find that the quadrupole-octopole alignment is also connected to a low observed variance in the CMB signal. A power asymmetry is now found to persist on scales corresponding to about ℓ = 600 and can be described in the low-ℓ regime by a phenomenological dipole modulation model. However, any primordial power asymmetry is strongly scale-dependent and does not extend toarbitrarily small angular scales. Finally, it is plausible that some of these features may be reflected in the angular power spectrum of the data, which shows a deficit of power on similar scales. Indeed, when the power spectra of two hemispheres defined by a preferred direction are considered separately, one shows evidence of a deficit in power, while its opposite contains oscillations between odd and even modes that may be related to the parity violation and phase correlations also detected in the data. Although these analyses represent a step forward in building an understanding of the anomalies, a satisfactory explanation based on physically motivated models is still lacking.

Models where Dark Matter and Dark Energy interact with each other have been proposed to solve the coincidence problem. We review the motivations underlying the need to introduce such interaction, its influence on the background dynamics and how it modifies the evolution of linear perturbations. We test models using the most recent observational data and we find that the interaction is compatible with the current astronomical and cosmological data. Finally, we describe the forthcoming data sets from current and future facilities that are being constructed or designed that will allow a clearer understanding of the physics of the dark sector.

The Planck nominal mission cosmic microwave background (CMB) maps yield unprecedented constraints on primordial non-Gaussianity (NG). Using three optimal bispectrum estimators, separable template-fitting (KSW), binned, and modal, we obtain consistent values for the primordial local, equilateral, and orthogonal bispectrum amplitudes, quoting as our final result fNL^local= 2.7+/-5.8, fNL^equil= -42+/-75, and fNL^ortho= -25+\-39 (68% CL statistical). NG is detected in the data; using skew-C_l statistics we find a nonzero bispectrum from residual point sources, and the ISW-lensing bispectrum at a level expected in the LambdaCDM scenario. The results are based on comprehensive cross-validation of these estimators on Gaussian and non-Gaussian simulations, are stable across component separation techniques, pass an extensive suite of tests, and are confirmed by skew-C_l, wavelet bispectrum and Minkowski functional estimators. Beyond estimates of individual shape amplitudes, we present model-independent, 3-dimensional reconstructions of the Planck CMB bispectrum and thus derive constraints on early-Universe scenarios that generate primordial NG, including general single-field models of inflation, excited initial states (non-Bunch-Davies vacua), and directionally-dependent vector models. We provide an initial survey of scale-dependent feature and resonance models. These results bound both general single-field and multi-field model parameter ranges, such as the speed of sound, c_s \geq 0.02 (95% CL), in an effective field theory parametrization, and the curvaton decay fraction r_D \geq 0.15 (95% CL). The Planck data significantly limit the viable parameter space of the ekpyrotic/cyclic scenarios. The amplitude of the 4-point function in the local model tauNL < 2800 (95% CL). These constraints represent the highest precision tests to date of physical mechanisms for the origin of cosmic structure.

We present the Planck likelihood, a complete statistical description of the two-point correlation function of the CMB temperature fluctuations. We use this likelihood to derive the Planck CMB power spectrum over three decades in l, covering 2 <= l <= 2500. The main source of error at l <= 1500 is cosmic variance. Uncertainties in small-scale foreground modelling and instrumental noise dominate the error budget at higher l's. For l < 50, our likelihood exploits all Planck frequency channels from 30 to 353 GHz through a physically motivated Bayesian component separation technique. At l >= 50, we employ a correlated Gaussian likelihood approximation based on angular cross-spectra derived from the 100, 143 and 217 GHz channels. We validate our likelihood through an extensive suite of consistency tests, and assess the impact of residual foreground and instrumental uncertainties on cosmological parameters. We find good internal agreement among the high-l cross-spectra with residuals of a few uK^2 at l <= 1000. We compare our results with foreground-cleaned CMB maps, and with cross-spectra derived from the 70 GHz Planck map, and find broad agreement in terms of spectrum residuals and cosmological parameters. The best-fit LCDM cosmology is in excellent agreement with preliminary Planck polarisation spectra. The standard LCDM cosmology is well constrained by Planck by l <= 1500. For example, we report a 5.4 sigma deviation from n_s /= 1. Considering various extensions beyond the standard model, we find no indication of significant departures from the LCDM framework. Finally, we report a tension between the best-fit LCDM model and the low-l spectrum in the form of a power deficit of 5-10% at l <~ 40, significant at 2.5-3 sigma. We do not elaborate further on its cosmological implications, but note that this is our most puzzling finding in an otherwise remarkably consistent dataset. (Abridged)

This paper presents an all-sky model of dust emission from the Planck 857, 545 and 353 GHz, and IRAS 100 micron data. Using a modified black-body fit to the data we present all-sky maps of the dust optical depth, temperature, and spectral index over the 353-3000 GHz range. This model is a tight representation of the data at 5 arc min. It shows variations of the order of 30 % compared with the widely-used model of Finkbeiner, Davis, and Schlegel. The Planck data allow us to estimate the dust temperature uniformly over the whole sky, providing an improved estimate of the dust optical depth compared to previous all-sky dust model, especially in high-contrast molecular regions. An increase of the dust opacity at 353 GHz, tau_353/N_H, from the diffuse to the denser interstellar medium (ISM) is reported. It is associated with a decrease in the observed dust temperature, T_obs, that could be due at least in part to the increased dust opacity. We also report an excess of dust emission at HI column densities lower than 10^20 cm^-2 that could be the signature of dust in the warm ionized medium. In the diffuse ISM at high Galactic latitude, we report an anti-correlation between tau_353/N_H and T_obs while the dust specific luminosity, i.e., the total dust emission integrated over frequency (the radiance) per hydrogen atom, stays about constant. The implication is that in the diffuse high-latitude ISM tau_353 is not as reliable a tracer of dust column density as we conclude it is in molecular clouds where the correlation of tau_353 with dust extinction estimated using colour excess measurements on stars is strong. To estimate Galactic E(B-V) in extragalactic fields at high latitude we develop a new method based on the thermal dust radiance, instead of the dust optical depth, calibrated to E(B-V) using reddening measurements of quasars deduced from Sloan Digital Sky Survey data.

Taking advantage of the all-sky coverage and broadfrequency range of the Planck satellite, we study the Sunyaev-Zeldovich (SZ) and pressure profiles of 62 nearby massive clusters detected at high significance in the 14-month nominal survey. Careful reconstruction of the SZ signal indicates that most clusters are individually detected at least out to R500. By stacking the radial profiles, we have statistically detected the radial SZ signal out to 3 × R500, i.e., at a density contrast of about 50–100, though the dispersion about the mean profile dominates the statistical errors across the whole radial range. Our measurement is fully consistent with previous Planck results on integrated SZ fluxes, further strengthening the agreement between SZ and X-ray measurements inside R500. Correcting for the effects of the Planck beam, we have calculated the corresponding pressure profiles. This new constraint from SZ measurements is consistent with the X-ray constraints from XMM-Newton in the region in which the profiles overlap (i.e., [0.1–1] R500), and is in fairly good agreement with theoretical predictions within the expected dispersion. At larger radii the average pressure profile is slightly flatter than most predictions from numerical simulations. Combining the SZ and X-ray observed profiles into a joint fit to a generalised pressure profile gives best-fit parameters [P0,c500,γ,α,β ] = [6.41,1.81,0.31,1.33,4.13 ] . Using a reasonable hypothesis for the gas temperature in the cluster outskirts we reconstruct from our stacked pressure profile the gas mass fraction profile out to 3 R500. Within the temperature driven uncertainties, our Planck constraints are compatible with the cosmic baryon fraction and expected gas fraction in halos.