[論文レビュー] On the magnetic evolution in Friedmann universes and the question of cosmic magnetogenesis

Christos G. Tsagas|arXiv (Cornell University)|Dec 15, 2014

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

ひとこと要約

この論文は、フリードマン宇宙における初期磁場が断熱的に崩壊するとされる長年の仮定に挑戦し、因果律による電流形成制約の結果、超ホライズンスケールの磁場が断熱的を超える増幅を受ける可能性があることを示している。これにより、$ B \propto a^{-2} $ より遅いべき乗則的崩壊が生じ、新物理を必要とせずに天体物理学的に有意義な磁場強度が得られる。

ABSTRACT

We analyse the evolution of primordial magnetic fields in spatially flat Friedmann universes and reconsider the belief that, after inflation, these fields decay adiabatically on all scales. Without~abandoning classical electromagnetism or standard cosmology, we demonstrate that this is not necessarily the case for superhorizon-sized magnetic fields. The underlying reason for this is causality, which confines the post-inflationary process of electric-current formation, electric-field elimination and magnetic-flux freezing within the horizon. As a result, the adiabatic magnetic decay is not a~priori guaranteed on super-Hubble scales. Instead, after inflation, large-scale magnetic fields obey a~power-law solution, where one of the modes drops at a rate slower than the adiabatic. Whether this slowly decaying mode can dominate and dictate the post-inflationary magnetic evolution depends on the initial conditions. These are determined by the evolution of the field during inflation and by the nature of the transition from the de Sitter phase to the reheating era and then to the subsequent epochs of radiation and dust. We discuss two alternative and complementary scenarios to illustrate the role and the implications of the initial conditions for cosmic magnetogenesis. Our main claim is that magnetic fields can be superadiabatically amplified after inflation, as long as they remain outside the horizon. This means that inflation-produced fields can reach astrophysically relevant residual strengths without breaking away from standard physics. Moreover, using the same causality arguments, one can constrain (or in some cases assist) the non-conventional scenarios of primordial magnetogenesis that amplify their fields during inflation. Finally, we show that our results extend naturally to the marginally open and the marginally closed Friedmann universes.

研究の動機と目的

• フリードマン宇宙におけるすべてのスケールで初期磁場が断熱的に崩壊すると仮定するという長年の仮定を再検討すること。
• 電流形成の因果律的制約が、磁場フラックスの凍結を準ホライズンスケールに限ることの役割を調査すること。
• インフレーション後に標準電磁気学および標準宇宙論を逸脱せずに、大スケール磁場の断熱的を超える増幅が可能かどうかを評価すること。
• インフレーションおよび再熱期に決定される初期条件が、インフレーション後の磁場進化に与える影響を評価すること。
• このメカニズムの普遍性を確認するため、わずかに開かれたおよび閉じたフリードマンモデルへの分析を拡張すること。

提案手法

• 古典的電磁気学および標準宇宙論を用いて、空間的に平坦なフリードマン＝ロバートソン＝ウォーカー（FRW）宇宙における磁場の進化を分析する。
• 因果律的議論を適用し、電流およびフラックス凍結が超ホライズンスケールで相関できないこと、したがってグローバルフラックス保存の仮定が誤りであることを示す。
• インフレーション後の超ホライズン磁場のべき乗則的解を導出し、$ a^{-2} $ より遅く崩壊するモードが存在することを特定する。
• 初期条件の2つの補足的状況を検討する：1つは強いde Sitter増幅を伴い、もう1つはやや弱い増幅を伴うもので、それらが磁場増幅に与える影響を調査する。
• 同じ因果律的制約を用いて、インフレーション期に磁場を増幅する非標準的磁気生成モデルを評価する。
• 分析をわずかに開かれたおよび閉じたフリードマンモデルに拡張し、空間曲率の種別にかかわらず、断熱的を超える増幅メカニズムの堅牢性を確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準的フリードマン宇宙論において、超ホライズンスケールの磁場は断熱的に崩壊するのか？それともこの仮定は因果律的に一貫しないのか？
• RQ2 インフレーションおよび再熱期における初期条件が、大スケール磁場のインフレーション後の進化にどの程度影響を及えるのか？
• RQ3 古典的電磁気学および標準宇宙論を超える新物理を導入せずに、初期磁場の断熱的を超える増幅が可能なのか？
• RQ4 電流形成における因果律的制約が、超ホライズン磁場に対して理想MHD近似の妥当性にどのような影響を与えるのか？
• RQ5 同じ因果律的議論が、非標準的インフレーション磁気生成シナリオをどの程度制限するか、あるいは支援するのか？

主な発見

• フリードマン宇宙における超ホライズン磁場は、断熱的崩壊に必ずしも従わない。代わりに、$ a^{-2} $ より遅く崩壊するべき乗則的解に従うモードが存在する。
• 再熱期の初期条件がそのモードを生き残らせることができれば、その遅く崩壊するモードが支配的になり、断熱的を超える増幅が実現する。
• 約10 kpcの動的スケールにおいて、断熱的を超える増幅後の残存磁場強度は $ \sim 10^{-33} $ G に達し、標準的予測の $ \sim 10^{-53} $ G よりも著しく高い。
• この強度の磁場は銀河ダイナモを駆動するのに十分であり、原始銀河の収縮期にさらに増幅される可能性がある。
• このメカニズムは空間的に平坦なモデルに限らず、わずかに開かれたおよび閉じたフリードマン宇宙にも適用可能であり、超曲率および準曲率磁場モードの両方に適用可能である。
• 強い増幅を伴う非標準的インフレーション磁気生成モデルは、CMB非一様性観測と矛盾する可能性があるが、やや弱い増幅を伴うモデルは妥当であり、因果律的制約によって支援される可能性がある。