[論文レビュー] Constraints on the Evolution of the Primordial Magnetic Field from the Small Scale CMB Angular Anisotropy

Dai Yamazaki, Kiyotomo Ichiki+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 9, 2006

Geomagnetism and Paleomagnetism Studies被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、宇宙マイクロ波背景（CMB）の温度非一様性における小スケールでの影響をモデル化することで、初期宇宙磁場（PMF）を制限している。再電離、修正された物質音速、およびサニヤエ＝ゼルドビッチ効果を含む理論的計算を用い、WMAP、CBI、ACBARのデータと比較することで、1 Mpcスケールにおける|B_λ| ≤ 4.7 nGの上限が得られた。

ABSTRACT

Recent observations of the cosmic microwave background (CMB) have extended measured the power spectrum to higher multipoles $l\\gtrsim$1000, and there appears to be possible evidence for excess power on small angular scales. The primordial magnetic field (PMF) can strongly affect the CMB power spectrum and the formation of large scale structure. In this paper, we calculate the CMB temperature anisotropies generated by including a power-law magnetic field at the photon last scattering surface (PLSS). We then deduce an upper limit on the primordial magnetic field based upon our theoretical analysis of the power excess on small angular scales. We have taken into account several important effects such as reionization and the modified matter sound speed in the presence of a magnetic field. An upper limit to the field strength of $|B_\\lambda|\\lesssim$ 4.7 nG at the present scale of 1 Mpc is deduced. This is obtained by comparing the calculated theoretical result including the Sunyaev-Zeldovich (SZ) effect with recent observed data on the small scale CMB anisotropies from the Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), the Cosmic Background Imager (CBI) and the Arcminute Cosmology Bolometer Array Receiver (ACBAR). We discuss several possible mechanisms for the generation and evolution of the PMF.

研究の動機と目的

• 初期磁場（PMF）が小スケールCMB角パワー スペクトルに与える影響を調査すること。
• l ≳ 1000の多重極において観測された過剰なパワーを解明すること。
• 理論的予測と観測データの比較を通じて、PMF強度のきつい上限を導出すること。
• 再結合以前のプラズマにおける磁場の存在が物質音速に与える修正効果を含む。
• 初期宇宙における初期磁場の生成と進化の妥当なメカニズムを探索すること。

提案手法

• 光子の最後散乱面（PLSS）におけるパワー則に従う初期磁場が生成するCMB温度非一様性をモデル化すること。
• 標準的な再電離赤方偏移パラメータを用いて、再電離がCMBパワー スペクトルに与える影響を組み込むこと。
• 再結合以前のプラズマに磁場が存在する場合の物質音速の修正を考慮すること。
• 小スケールでのCMBの二次非一様性を説明するために、サニヤエ＝ゼルドビッチ（SZ）効果を適用すること。
• PMF寄与を含む完全な理論的CMBパワー スペクトルを、WMAP、CBI、ACBARの高多重極データと比較すること。
• 尤度解析を用いて、1 Mpc共動スケールにおけるPMF強度を制限すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 初期磁場は、小スケールCMB非一様性における観測された過剰パワーをどの程度説明できるか？
• RQ2 再電離と修正された物質音速は、初期磁場が存在する状況でCMBパワー スペクトルにどのように影響を与えるか？
• RQ3 現在のCMB観測と整合する初期磁場の最大許容強度は何か？
• RQ4 サニヤエ＝ゼルドビッチ効果の組み込みは、初期磁場の制限にどのように影響するか？
• RQ5 初期宇宙における初期磁場の生成と維持にどのような物理的メカニズムが考えられるか？

主な発見

• 現在の1 Mpc共動スケールにおける初期磁場強度は、|B_λ| ≤ 4.7 nGに制限されている。
• サニヤエ＝ゼルドビッチ効果の組み込みにより、理論モデルと観測CMB非一様性データの整合性が顕著に向上した。
• 再電離と修正された物質音速は、PMF状況下でのCMBパワー スペクトルを正確にモデル化する上で重要な要因である。
• PMF効果を含む理論モデルは、WMAP、CBI、ACBARの高多重極CMBデータと良好に一致している。
• 得られたPMF強度の上限は、複数の観測データセットと物理的効果に対して安定している。
• 結果から、初期磁場が存在する場合、小スケールCMB非一様性を過剰に生成しないよう、非常に弱くなければならないことが示唆された。