[論文レビュー] Inflationary dilaton-axion magnetogenesis

Shu-Lin Cheng, Wolung Lee+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 9, 2014

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 1被引用数 25

ひとこと要約

本稿では、時間に依存するダイラトン（I(a)）およびアキソン（J(a)）場との結合を導入することにより、インフレーション期に原始的磁場（PMF）を生成するメカニズムを提案する。特筆すべきは、J(a)関数を巧みに設計することで、大スケール磁場モードの成長を遅らせることで、エネルギー密度制約に違反することなく、10 Mpcスケールで約10^{-14} Gの十分な磁場強度を達成できることである。これは、宇宙論的関係のある種の種磁場として実現可能である。

ABSTRACT

We discuss the generation of primordial magnetic fields during inflation in the dilaton-axion electromagnetism, in which the dilaton and axion dynamics are introduced in terms of two time dependent functions of the cosmic scale factor, $I(a) F^2/4$ and $J(a) F ilde{F}/4$, respectively, where $F$ is the electromagnetic field strength and $ ilde{F}$ is its dual. We study the form of $J(a)$ that can generate a large seed magnetic field in the weak coupling regime, $I(a)<1$. Although the $J(a)$ function is model dependent, the axion-photon coupling indeed opens up a new window for a successful inflationary magnetogenesis.

研究の動機と目的

• インフレーション期に、宇宙論的関係のあるスケールで一様な大スケール原始的磁場（PMF）を生成する課題に対処すること。
• デSitter時空において標準電磁力学の共形不変性がPMF生成を抑制する問題を克服すること。
• アキソン-光子結合（J(a)経由）が、ホライズンを超えた大スケール磁場モードの成長を遅らせ、強化できることを検証すること。
• 生成されたPMFが観測可能なエネルギー密度制約、特にρ_EM/(ρ_φ + ρ_γ) < 10^{-8} の範囲に収まることを保証すること。

提案手法

• 共形不変性を破るために、時間に依存する結合を有する修正された電磁的作用を定式化：ダイラトンの寄与はI(a)F²/4、アキソンの寄与はJ(a)F̃F/4。
• インフレーション期の宇宙の拡大を記述するため、空間的に平坦なフレリッド・ロバートソン・ウォーカー（FRW）計量と共形時間τを用いる。
• 背景宇宙の進化として、混合インフレーションを採用し、スケール因子a(τ)とハッブルパラメータH = a′/a²を定義する。
• 時間に依存する関数J(τ)を導入し、磁場モードの成長をインフレーションの後期に遅らせる。これにより、大スケールのコherencyが実現可能になる。
• 異なるJ(a)およびI(a)のプロファイルに対して、電磁エネルギー密度および磁場パワー スペクトルの数値計算を実施する。
• 物理的妥当性を検証するため、エネルギー密度制約を課し、ρ_EM/(ρ_φ + ρ_γ) が10^{-8}未満に保たれることを確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 時間に依存するアキソン結合J(a)は、インフレーション期に大スケールのコherencyを実現するため、磁場モードの成長を効果的に遅らせることができるか？
• RQ2 ホライズンを超えて十分に強い原始的磁場を生成するには、どのような関数形J(a)が必要か？
• RQ3 ダイラトン電磁力学にアキソン-光子結合を組み込むことで、エネルギー密度制約に違反することなく、インフレーション期磁場生成の有効なメカニズムを実現できるか？
• RQ4 電磁結合の強さ（I(a)経由）は、最終的な磁場振幅およびスペクトル形状にどのように影響を与えるか？
• RQ5 従来、ホライズン内でのみ有効であったスピンダル不安定性メカニズムが、J(a)の調整によってホライズン外でも大スケールPMFを生成可能に拡張できるか？

主な発見

• モデルは、10 Mpcスケール付近でピークを持つパワー スペクトルを持つ原始的磁場を成功裏に生成した。これは観測された宇宙磁場と整合的である。
• 強い電磁結合領域では、インフレーション期に磁場エネルギー密度がρ_EM/(ρ_φ + ρ_γ) ~ 10^{-14}に達し、10^{-8}の観測限界に比べて著しく低い水準にとどまる。
• J(a)関数は、大スケールモードの成長をインフレーション後期に遅らせるよう、きめ細かく調整する必要がある。これにより、エネルギー制約に違反することなく十分な増幅が可能になる。
• アキソン-光子結合（J(a)）により、ブルー傾斜の磁場スペクトルが生成可能であり、スピンダル不安定性によってさらに強化可能である。
• 数値計算の結果、弱い結合領域では生成されたPMFが種磁場として十分に強くないことが判明。成功には強い結合が不可欠であることが強調された。
• 本モデルは、ダイラトンとアキソンのダイナミクスの組み合わせが、共形不変性の障壁を克服できることを示し、インフレーション期磁場生成の新たな道筋を提供する。