[論文レビュー] Magnetic Fields and Large Scale Structure in a hot Universe. I. General Equations

E. Battaner, E. Florido+1 more|ArXiv.org|Feb 19, 1996

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 4被引用数 12

ひとこと要約

本稿は、高温で膨張する宇宙における大規模磁場不均一性の進化を支配する線形化された方程式を導出し、共動座標系において磁場 $\vec{B}R^2$ が保存されることを示している。弱い初期磁場でも密度構造を種まきし、異方的クラスタリングを引き起こし、磁場フラックスチューブを通じてフィラメント状の光子集中を生じさせることで、大規模構造形成に顕著な影響を与えることが示された。

ABSTRACT

We consider that no mean magnetic field exists during this epoch, but that there is a mean magnetic energy associated with large-scale magnetic inhomogeneities. We study the evolution of these inhomogeneities and their influence on the large scale density structure, by introducing linear perturbations in Maxwell equations, the conservation of momentum-energy equation, and in Einstein field equations. The primordial magnetic field structure is time independent in the linear approximation, only being diluted by the general expansion, so that $\vec{B}R^2$ is conserved in comoving coordinates. Magnetic fields have a strong influence on the formation of large-scale structure. Firstly, relatively low fields are able to generate density structures even if they were inexistent at earlier times. Second, magnetic fields act anisotropically more recently, modifying the evolution of individual density clouds. Magnetic flux tubes have a tendency to concentrate photons in filamentary patterns.

研究の動機と目的

• 高温で膨張する宇宙における初期磁場不均一性が大規模宇宙構造形成に与える影響を調査すること。
• 放射支配時代における磁場の進化と密度摂動への結合をモデル化すること。
• 初期密度不均一性が存在しない状況でも、弱い大規模磁場が宇宙密度構造を生成または変更できるかどうかを特定すること。
• 磁場の異方的効果が個々の密度雲の力学および光子集中に与える影響を分析すること。
• この状況におけるマクスウェル方程式、エネルギー運動量保存則、アインシュタインの場の方程式を組み合わせた一貫した線形化された方程式系を導出すること。

提案手法

• 高温で膨張する宇宙における磁場不均一性の進化を記述するため、マクスウェル方程式の線形摂動を定式化する。
• 線形化された運動量・エネルギー保存則とアインシュタインの場の方程式を組み合わせ、磁場を時空の曲率および物質密度に結合する。
• 平均磁場は仮定しないが、大規模不均一性に起因する非ゼロの平均磁場エネルギーを仮定し、線形近似で系を扱う。
• 共動座標系において保存則 $\u005cvec{B}R^2 = \text{constant}$ を導出し、磁場フラックスが宇宙膨張によるもの以外に拡散されないことを示す。
• 磁場の異方的応力が密度構造に与える影響、特に磁場フラックスチューブの役割を分析する。
• 宇宙論的文脈における方程式および物理量の一貫した提示のため、A&A LaTeX マクロを用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 初期密度摂動が存在しない状況でも、大規模磁場不均一性が密度構造を生成できるか？
• RQ2 高温で膨張する宇宙における磁場の進化が、大規模宇宙構造形成に与える影響は何か？
• RQ3 磁場フラックスチューブは、初期宇宙におけるフィラメント状構造の形成と光子の集中に果たす役割は何か？
• RQ4 磁場は構造形成過程における個々の密度雲の異方的進化にどのように影響を与えるか？
• RQ5 共動座標系における $\vec{B}R^2$ の保存が、初期磁場の進化に及える制約はどの程度か？

主な発見

• 初期密度摂動が存在しない場合でも、磁場の異方的応力のおかげで大規模密度構造を種まきできる。
• 共動座標系において $\u005cvec{B}R^2$ が保存され、磁場フラックスが宇宙膨張によるもの以外に拡散されないことを示す。
• 比較的弱い磁場でも、異方的圧力の誘発と雲の力学の変更を通じて、構造形成に強い影響を与える。
• 磁場フラックスチューブは、光子をフィラメント状に集中させ、宇宙網様構造の形成に寄与する。
• 線形近似により、電磁場と時空の曲率および物質の間の一貫した結合が可能となり、初期宇宙の宇宙論的モデルの妥当性が裏付けられる。
• モデルは、磁場が特に異方的応力とフラックスチューブの力学を通じて、大規模構造形成の主要因であることを示している。