The Planck full mission cosmic microwave background (CMB) temperature and E-mode polarization maps are analysed to obtain constraints on primordial non-Gaussianity (NG). Using three classes of 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 from temperature alone ƒlocalNL = 2.5 ± 5.7, ƒequilNL= -16 ± 70, , and ƒorthoNL = -34 ± 32 (68% CL, statistical). Combining temperature and polarization data we obtain ƒlocalNL = 0.8 ± 5.0, ƒequilNL= -4 ± 43, and ƒorthoNL = -26 ± 21 (68% CL, statistical). 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 consistent with estimators based on measuring the Minkowski functionals of the CMB. The effect of time-domain de-glitching systematics on the bispectrum is negligible. In spite of these test outcomes we conservatively label the results including polarization data as preliminary, owing to a known mismatch of the noise model in simulations and the data. Beyond estimates of individual shape amplitudes, we present model-independent, three-dimensional reconstructions of the Planck CMB bispectrum and derive constraints on early universe scenarios that generate primordial NG, including general single-field models of inflation, axion inflation, initial state modifications, models producing parity-violating tensor bispectra, and directionally dependent vector models. We present a wide survey of scale-dependent feature and resonance models, accounting for the “look elsewhere” effect in estimating the statistical significance of features. We also look for isocurvature NG, and find no signal, but we obtain constraints that improve significantly with the inclusion of polarization. The primordial trispectrum amplitude in the local model is constrained to be 𝓰localNL = (-0.9 ± 7.7 ) X 104(68% CL statistical), and we perform an analysis of trispectrum shapes beyond the local case. The global picture that emerges is one of consistency with the premises of the ΛCDM cosmology, namely that the structure we observe today was sourced by adiabatic, passive, Gaussian, and primordial seed perturbations.

Analysis of the Planck 2018 data set indicates that the statistical properties of the cosmic microwave background (CMB) temperature anisotropies are in excellent agreement with previous studies using the 2013 and 2015 data releases. In particular, they are consistent with the Gaussian predictions of the ΛCDM cosmological model, yet also confirm the presence of several so-called “anomalies” on large angular scales. The novelty of the current study, however, lies in being a first attempt at a comprehensive analysis of the statistics of the polarization signal over all angular scales, using either maps of the Stokes parameters, Q and U , or the E -mode signal derived from these using a new methodology (which we describe in an appendix). Although remarkable progress has been made in reducing the systematic effects that contaminated the 2015 polarization maps on large angular scales, it is still the case that residual systematics (and our ability to simulate them) can limit some tests of non-Gaussianity and isotropy. However, a detailed set of null tests applied to the maps indicates that these issues do not dominate the analysis on intermediate and large angular scales (i.e., ℓ ≲ 400). In this regime, no unambiguous detections of cosmological non-Gaussianity, or of anomalies corresponding to those seen in temperature, are claimed. Notably, the stacking of CMB polarization signals centred on the positions of temperature hot and cold spots exhibits excellent agreement with the ΛCDM cosmological model, and also gives a clear indication of how Planck provides state-of-the-art measurements of CMB temperature and polarization on degree scales.

An all sky map of the apparent temperature and optical depth of thermal dust emission is constructed using the Planck-HFI (350μm to 2 mm) andIRAS(100μm) data. The optical depth maps are correlated with tracers of the atomic (Hi) and molecular gas traced by CO. The correlation with the column density of observed gas is linear in the lowest column density regions at high Galactic latitudes. At high NH, the correlation is consistent with that of the lowest NH, for a given choice of the CO-to-H2 conversion factor. In the intermediate NH range, a departure from linearity is observed, with the dust optical depth in excess of the correlation. This excess emission is attributed to thermal emission by dust associated with a dark gas phase, undetected in the available Hi and CO surveys. The 2D spatial distribution of the dark gas in the solar neighbourhood (|bII| > 10°) is shown to extend around known molecular regions traced by CO. The average dust emissivity in the Hi phase in the solar neighbourhood is found to be τD/NHtot = 5.2×10-26 cm2 at 857 GHz. It follows roughly a power law distribution with a spectral index β = 1.8 all the way down to 3 mm, although the SED flattens slightly in the millimetre. Taking into account the spectral shape of the dust optical depth, the emissivity is consistent with previous values derived fromFIRAS measurements at high latitudes within 10%. The threshold for the existence of the dark gas is found at NHtot = (8.0±0.58)×1020 H cm−2 (AV = 0.4mag). Assuming the same high frequency emissivity for the dust in the atomic and the molecular phases leads to an average XCO = (2.54 ± 0.13) × 1020 H2 cm-2/(K km s-1). The mass of dark gas is found to be 28% of the atomic gas and 118% of the CO emitting gas in the solar neighbourhood. The Galactic latitude distribution shows that its mass fraction is relatively constant down to a few degrees from the Galactic plane. A possible explanation for the dark gas lies in a dark molecular phase, where H2 survives photodissociation but CO does not. The observed transition for the onsetof this phase in the solar neighbourhood (AV = 0.4mag) appears consistent with recent theoretical predictions. It is also possible that up to half of the dark gas could be in atomic form, due to optical depth effects in the Hi measurements.

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.

Planck has mapped the microwave sky in nine frequency bands between 30 and 857 GHz in temperature and seven bands between 30 and 353 GHz in polarization. In this paper we consider the problem of diffuse astrophysical component separation, and process these maps within a Bayesian framework to derive a consistent set of full-sky astrophysical component maps. For the temperature analysis, we combine the Planck observations with the 9-year WMAP sky maps and the Haslam et al. 408 MHz map to derive a joint model of CMB, synchrotron, free-free, spinning dust, CO, line emission in the 94 and 100 GHz channels, and thermal dust emission. Full-sky maps are provided with angular resolutions varying between 7.5 arcmin and 1 deg. Global parameters (monopoles, dipoles, relative calibration, and bandpass errors) are fitted jointly with the sky model, and best-fit values are tabulated. For polarization, the model includes CMB, synchrotron, and thermal dust emission. These models provide excellent fits to the observed data, with rms temperature residuals smaller than 4 uK over 93% of the sky for all Planck frequencies up to 353 GHz, and fractional errors smaller than 1% in the remaining 7% of the sky. The main limitations of the temperature model at the lower frequencies are degeneracies among the spinning dust, free-free, and synchrotron components; additional observations from external low-frequency experiments will be essential to break these. The main limitations of the temperature model at the higher frequencies are uncertainties in the 545 and 857 GHz calibration and zero-points. For polarization, the main outstanding issues are instrumental systematics in the 100-353 GHz bands on large angular scales in the form of temperature-to-polarization leakage, uncertainties in the analog-to-digital conversion, and very long time constant corrections, all of which are expected to improve in the near future.

We investigate constraints on cosmic reionization extracted from the Planck cosmic microwave background (CMB) data. We combine the Planck CMB anisotropy data in temperature with the low-multipole polarization data to fit ΛCDM models with various parameterizations of the reionization history. We obtain a Thomson optical depth τ = 0.058 ± 0.012 for the commonly adopted instantaneous reionization model. This confirms, with data solely from CMB anisotropies, the low value suggested by combining Planck 2015 results with other data sets, and also reduces the uncertainties. We reconstruct the history of the ionization fraction using either a symmetric or an asymmetric model for the transition between the neutral and ionized phases. To determine better constraints on the duration of the reionization process, we also make use of measurements of the amplitude of the kinetic Sunyaev-Zeldovich (kSZ) effect using additional information from the high-resolution Atacama Cosmology Telescope and South Pole Telescope experiments. The average redshift at which reionization occurs is found to lie between z = 7.8 and 8.8, depending on the model of reionization adopted. Using kSZ constraints and a redshift-symmetric reionization model, we find an upper limit to the width of the reionization period of Δz < 2.8. In all cases, we find that the Universe is ionized at less than the 10% level at redshifts above z ≃ 10. This suggests that an early onset of reionization is strongly disfavoured by the Planck data. We show that this result also reduces the tension between CMB-based analyses and constraints from other astrophysical sources.

We present the most significant measurement of the cosmic microwave background (CMB) lensing potential to date (at a level of 40σ), using temperature and polarization data from the Planck 2015 full-mission release. Using a polarization-only estimator, we detect lensing at a significance of 5σ. We cross-check the accuracy of our measurement using the wide frequency coverage and complementarity of the temperature and polarization measurements. Public products based on this measurement include an estimate of the lensing potential over approximately 70% of the sky, an estimate of the lensing potential power spectrum in bandpowers for the multipole range 40 ≤ L ≤ 400, and an associated likelihood for cosmological parameter constraints. We find good agreement between our measurement of the lensing potential power spectrum and that found in the ΛCDM model that best fits the Planck temperature and polarization power spectra. Using the lensing likelihood alone we obtain a percent-level measurement of the parameter combination σ8Ω0.25m = 0.591 ± 0.021. We combine our determination of the lensing potential with the E-mode polarization, also measured by Planck, to generate an estimate of the lensing B-mode. We show that this lensing B-mode estimate is correlated with the B-modes observed directly by Planck at the expected level and with a statistical significance of 10σ, confirming Planck’s sensitivity to this known sky signal. We also correlate our lensing potential estimate with the large-scale temperature anisotropies, detecting a cross-correlation at the 3σ level, as expected because of dark energy in the concordance ΛCDM model.

We test the statistical isotropy and Gaussianity of the cosmic microwave background (CMB) anisotropies using observations made by the Planck satellite. Our results are based mainly on the full Planck mission for temperature, but also include some polarization measurements. In particular, we consider the CMB anisotropy maps derived from the multi-frequency Planck data by several component-separation methods. For the temperature anisotropies, we find excellent agreement between results based on these sky maps over both a very large fraction of the sky and a broad range of angular scales, establishing that potential foreground residuals do not affect our studies. Tests of skewness, kurtosis, multi-normality, N-point functions, and Minkowski functionals indicate consistency with Gaussianity, while a power deficit at large angular scales is manifested in several ways, for example low map variance. The results of a peak statistics analysis are consistent with the expectations of a Gaussian random field. The "Cold Spot" is detected with several methods, including map kurtosis, peak statistics, and mean temperature profile. We thoroughly probe the large-scale dipolar power asymmetry, detecting it with several independent tests, and address the subject of a posteriori correction. Tests of directionality suggest the presence of angular clustering from large to small scales, but at a significance that is dependent on the details of the approach. We perform the first examination of polarization data, finding the morphology of stacked peaks to be consistent with the expectations of statistically isotropic simulations. Where they overlap, these results are consistent with the Planck 2013 analysis based on the nominal mission data and provide our most thorough view of the statistics of the CMB fluctuations to date.

This paper describes the identification, modelling, and removal of previously unexplained systematic effects in the polarization data of the Planck High Frequency Instrument (HFI) on large angular scales, including new mapmaking and calibration procedures, new and more complete end-to-end simulations, and a set of robust internal consistency checks on the resulting maps. These maps, at 100, 143, 217, and 353 GHz, are early versions of those that will be released in final form later in 2016. The improvements allow us to determine the cosmic reionization optical depth τ using, for the first time, the low-multipole EE data from HFI, reducing significantly the central value and uncertainty, and hence the upper limit. Two different likelihood procedures are used to constrain τ from two estimators of the CMB E- and B-mode angular power spectra at 100 and 143 GHz, after debiasing the spectra from a small remaining systematic contamination. These all give fully consistent results. A further consistency test is performed using cross-correlations derived from the Low Frequency Instrument maps of the Planck 2015 data release and the new HFI data. For this purpose, end-to-end analyses of systematic effects from the two instruments are used to demonstrate the near independence of their dominant systematic error residuals. The tightest result comes from the HFI-based τ posterior distribution using the maximum likelihood power spectrum estimator from EE data only, giving a value 0.055 ± 0.009. In a companion paper these results are discussed in the context of the best-fit PlanckΛCDM cosmological model and recent models of reionization.

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)