[論文レビュー] Cosmic Magnetic Fields in Large Scale Filaments and Sheets

Dongsu Ryu, Hyesung Kang+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 24, 1998

Solar and Space Plasma Dynamics被引用数 65

ひとこと要約

本論文は、フィラメントやシートなどの大規模構造と相関する宇宙磁場を、宇宙論的流体力学シミュレーションを用いて磁場の幾何構造をモデル化することで調査している。この結果、これらの構造における磁場の上限は約1 μGに制限され、従来の推定値よりも顕著に高い値である。これは、磁場が宇宙線の伝播や構造形成に影響を与えるのに十分な強さである可能性を示唆している。

ABSTRACT

We consider the possibility that cosmic magnetic field, instead of being uniformly distributed, is strongly correlated with the large scale structure of the universe. Then, the observed rotational measure of extra-galactic radio sources would be caused mostly by the clumpy magnetic field in cosmological filaments/sheets rather than by a uniform magnetic field, which was often assumed in previous studies. As a model for the inhomogeneity of the cosmological magnetic field, we adopt a cosmological hydrodynamic simulation, where the field is passively included, and can approximately represent the real field distribution with an arbitrary normalization for the field strength. Then, we derive an upper limit of the magnetic field strength by comparing the observed limit of rotational measure with the rotational measure expected from the magnetic field geometry in the simulated model universe. The resulting upper limit to the magnetic field in filaments and sheets is ${\bar B}_{fs} \la 1 μG$ which is $\sim10^3$ times higher than the previously quoted values. This value is close to, but larger than, the equipartition magnetic field strength in filaments and sheets. The amplification mechanism of the magnetic field to the above strength is uncertain. The implications of such a strength of the cosmic magnetic field are discussed.

研究の動機と目的

• 大規模構造における磁場の不均一な分布をモデル化することで、均一な分布を仮定するのではなく、銀河間磁場の上限を再評価すること。
• クェーサーの観測回転測定値（RM）と従来の均一磁場モデルとの不一致を解消すること。この不一致は、磁場強度が過小評価されていたため生じている。
• フィラメントやシート内の磁場が、宇宙線の伝播や構造形成に影響を与えるのに十分な強さであるかどうかを検討すること。
• シミュレーションされた磁場幾何構造と観測されたRMデータを比較し、宇宙論的構造における磁場強度を制約すること。
• より強く、塊状の磁場が宇宙線の閉じ込めや高エネルギー天体物理学的現象に与える影響を評価すること。

提案手法

• 宇宙論的流体力学シミュレーションを用い、磁場を受動的に追跡することで、大規模構造内での現実的な磁場分布をモデル化する。
• 磁場がフィラメントやシートに集中し、空洞部では無視できるほど弱いと仮定することで、観測された物質分布を反映する。
• シミュレートされた宇宙を通る視線に沿った期待される回転測定値（RM）を、電子密度との積分 B⋅dl を用いて計算する。
• シミュレートされたRM値と観測されたRMの上限（z=2.5で ≤5 rad m⁻²）を比較し、磁場強度の上限を導出する。
• 磁場が観測されたRMを超えてはならないという制約を適用し、シミュレーションされた幾何構造を用いて、最も妥当な最大磁場強度を推定する。
• 導出された上限を、構造内での等エネルギー磁場強度と、既知の増幅機構と比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 観測された回転測定値の上限を考慮した場合、大規模フィラメントおよびシート内の宇宙磁場の最大強度は何か？
• RQ2 均一磁場モデルとは対照的に、塊状で構造に相関する磁場分布を仮定することで、銀河間磁場強度の上限にどのような影響が生じるか？
• RQ3 約1 μGの磁場強度を持つフィラメントおよびシート内の磁場は、観測された宇宙線の非一様性や閉じ込め効果を説明できるか？
• RQ4 大規模構造内に約1 μGの磁場がある場合、宇宙線の伝播およびエネルギー損失にどのような影響が生じるか？
• RQ5 フィラメントおよびシート内の磁場の幾何構造は、銀河外電波源からのファラデーローテーション測定値にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 大規模フィラメントおよびシート内の磁場強度の上限は、≤1 μGに制限され、これは均一磁場仮定に基づく従来の推定値のおよそ1000倍高い。
• この上限は、このような構造で予想される等エネルギー磁場強度に近く、わずかにそれを上回っている。これは、物理的に妥当である可能性を示唆している。
• フィラメントおよびシート内の塊状磁場モデルは、均一磁場モデルよりも高い期待される回転測定値を生じるため、観測値に一致させるにはより強い磁場が必要となる。
• 約1 μGの導出された磁場強度は、高エネルギー宇宙線（E > 10^19 eV）をスーパーギャラクティック平面内に閉じ込められるのに十分であり、到達方向の非一様性を説明できる。
• この強度の磁場は、宇宙線フラックスの希釈を1/d²から1/dにまで低下させ、遠方の源からの検出可能性を高める可能性がある。
• 結果から、大規模構造内の磁場が、特にGZKカットオフを超えるエネルギー領域における宇宙線の伝播およびエネルギー分布を形作る上で重要な役割を果たしている可能性が示唆される。