Within ten nearby (d < 450 pc) Gould belt molecular clouds we evaluate statistically the relative orientation between the magnetic field projected on the plane of sky, inferred from the polarized thermal emission of Galactic dust observed by Planck at 353 GHz, and the gas column density structures, quantified by the gradient of the column density, NH. The selected regions, covering several degrees in size, are analysed at an effective angular resolution of 10′ FWHM, thus sampling physical scales from 0.4 to 40 pc in the nearest cloud. The column densities in the selected regions range from NH≈ 1021 to1023 cm-2, and hence they correspond to the bulk of the molecular clouds. The relative orientation is evaluated pixel by pixel and analysed in bins of column density using the novel statistical tool called “histogram of relative orientations”. Throughout this study, we assume that the polarized emission observed by Planck at 353 GHz is representative of the projected morphology of the magnetic field in each region, i.e., we assume a constant dust grain alignment efficiency, independent of the local environment. Within most clouds we find that the relative orientation changes progressively with increasing NH, from mostly parallel or having no preferred orientation to mostly perpendicular. In simulations of magnetohydrodynamic turbulence in molecular clouds this trend in relative orientation is a signature of Alfvénic or sub-Alfvénic turbulence, implying that the magnetic field is significant for the gas dynamics at the scales probed by Planck. We compare the deduced magnetic field strength with estimates we obtain from other methods and discuss the implications of the Planck observations for the general picture of molecular cloud formation and evolution.

We compute and investigate four types of imprint of a stochastic background of primordial magnetic fields (PMFs) on the cosmic microwave background (CMB) anisotropies: the impact of PMFs on the CMB spectra; the effect on CMB polarization induced by Faraday rotation; the impact of PMFs on the ionization history; magnetically-induced non-Gaussianities; and the magnetically-induced breaking of statistical isotropy. Overall, Planck data constrain the amplitude of PMFs to less than a few nanogauss. In particular, individual limits coming from the analysis of the CMB angular power spectra, using the Planck likelihood, are $B_{1\,\mathrm{Mpc}}< 4.4$ nG (where $B_{1\,\mathrm{Mpc}}$ is the comoving field amplitude at a scale of 1 Mpc) at 95% confidence level, assuming zero helicity, and $B_{1\,\mathrm{Mpc}}< 5.6$ nG for a maximally helical field.For nearly scale-invariant PMFs we obtain $B_{1\,\mathrm{Mpc}}<2.0$ nG and $B_{1\,\mathrm{Mpc}}<0.9$ nG if the impact of PMFs on the ionization history of the Universe is included. From the analysis of magnetically-induced non-Gaussianity we obtain three different values, corresponding to three applied methods, all below 5 nG. The constraint from the magnetically-induced passive-tensor bispectrum is $B_{1\,\mathrm{Mpc}}< 2.8$ nG. A search for preferred directions in the magnetically-induced passive bispectrum yields $B_{1\,\mathrm{Mpc}}< 4.5$ nG, whereas the the compensated-scalar bispectrum gives $B_{1\,\mathrm{Mpc}}< 3$ nG. The analysis of the Faraday rotation of CMB polarization by PMFs uses the Planck power spectra in $EE$ and $BB$ at 70 GHz and gives $B_{1\,\mathrm{Mpc}}< 1380$ nG. In our final analysis, we consider the harmonic-space correlations produced by Alfv\'en waves, finding no significant evidence for the presence of these waves. Together, these results comprise a comprehensive set of constraints on possible PMFs with Planck data.

We have constructed all-sky y-maps of the thermal Sunyaev-Zeldovich (tSZ) effect by applying specifically tailored component separation algorithms to the 30 to 857 GHz frequency channel maps from the Planck satellite survey. These reconstructed y-maps are delivered as part of the Planck 2015 release. The y-maps are characterised in terms of noise properties and residual foreground contamination, mainly thermal dust emission at large angular scales and CIB and extragalactic point sources at small angular scales. Specific masks are defined to minimize foreground residuals and systematics. Using these masks we compute the y-map angular power spectrum and higher order statistics. From these we conclude that the y-map is dominated by tSZ signal in the multipole range, 20-600. We compare the measured tSZ power spectrum and higher order statistics to various physically motivated models and discuss the implications of our results in terms of cluster physics and cosmology.

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.

This paper describes the processing applied to the cleaned, time-ordered information obtained from the Planck High Frequency Instrument (HFI) with the aim of producing photometrically calibrated maps in temperature and (for the first time) in polarization. The data from the entire 2.5-year HFI mission include almost five full-sky surveys. HFI observes the sky over a broad range of frequencies, from 100 to 857 GHz. To obtain the best accuracy on the calibration over such a large range, two different photometric calibration schemes have been used. The 545 and 857 GHz data are calibrated using models of planetary atmospheric emission. The lower frequencies (from 100 to 353 GHz) are calibrated using the time-variable cosmological microwave background dipole, which we call the orbital dipole. This source of calibration only depends on the satellite velocity with respect to the solar system. Using a CMB temperature of TCMB = 2.7255 ± 0.0006 K, it permits an independent measurement of the amplitude of the CMB solar dipole (3364.3 ± 1.5 μK), which is approximatively 1σ higher than the WMAP measurement with a direction that is consistent between the two experiments. We describe the pipeline used to produce the maps ofintensity and linear polarization from the HFI timelines, and the scheme used to set the zero level of the maps a posteriori. We also summarize the noise characteristics of the HFI maps in the 2015 Planck data release and present some null tests to assess their quality. Finally, we discuss the major systematic effects and in particular the leakage induced by flux mismatch between the detectors that leads to spurious polarization signal.

The polarized thermal emission from Galactic dust is the main foreground present in measurements of the polarization of the cosmic microwave background (CMB) at frequencies above 100GHz. We exploit the Planck HFI polarization data from 100 to 353GHz to measure the dust angular power spectra $C_\ell^{EE,BB}$ over the range $40<\ell<600$ well away from the Galactic plane. These will bring new insights into interstellar dust physics and a precise determination of the level of contamination for CMB polarization experiments. We show that statistical properties of the emission can be characterized over large fractions of the sky using $C_\ell$. For the dust, they are well described by power laws in $\ell$ with exponents $\alpha^{EE,BB}=-2.42\pm0.02$. The amplitudes of the polarization $C_\ell$ vary with the average brightness in a way similar to the intensity ones. The dust polarization frequency dependence is consistent with modified blackbody emission with $\beta_d=1.59$ and $T_d=19.6$K. We find a systematic ratio between the amplitudes of the Galactic $B$- and $E$-modes of 0.5. We show that even in the faintest dust-emitting regions there are no "clean" windows where primordial CMB $B$-mode polarization could be measured without subtraction of dust emission. Finally, we investigate the level of dust polarization in the BICEP2 experiment field. Extrapolation of the Planck 353GHz data to 150GHz gives a dust power $\ell(\ell+1)C_\ell^{BB}/(2\pi)$ of $1.32\times10^{-2}\mu$K$_{CMB}^2$ over the $40<\ell<120$ range; the statistical uncertainty is $\pm0.29$ and there is an additional uncertainty (+0.28,-0.24) from the extrapolation, both in the same units. This is the same magnitude as reported by BICEP2 over this $\ell$ range, which highlights the need for assessment of the polarized dust signal even in the cleanest windows of the sky.