[論文レビュー] On the Physics of Primordial Magnetic Fields

E. Battaner, H. Lesch|arXiv (Cornell University)|Mar 24, 2000

Solar and Space Plasma Dynamics被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、初期宇宙における磁場生成の物理的制約を調査し、数Mpc未塔の小スケール磁場が放射支配時代に磁場拡散および光子拡散のため生存できないこと、したがって大多数の相転移に基づくモデルは除外されることを主張している。代わりに、大スケール磁場はインフレーション期に生成され、大規模構造に影響を与える可能性がある。一方、銀河磁場は再結合以降のプラズマ過程によって生じ、10⁻²⁰ G程度の初期種磁場の必要性を疑問視している。

ABSTRACT

There are at present more then 30 theories about the origin of cosmic magnetic fields at galactic and intergalactic scales. Most of them rely on concepts of elementary particle physics, like phase transitions in the early Universe, string theory and processes during the inflationary epoch. Here we present some more astrophysical arguments to provide some guidance through this large number and variety of models. Especially the fact that the evolution of magnetic fields depends on the spatial coherence scale of the fields leds to some interesting conclusions, which may rule out the majority of the theoretical scenarios. In principle one has to distinguish between the large-scale and small-scale magnetic fields. Large scale fields are defined as those as becoming sub-horizon at that redshift at which the mass energy density becomes equal to the photon energy density, which we name as equality. Small scale fields which are sub-horizon even before equality, i.e. with scales lower than (present) few Mpc cannot survive the radiation era and cannot reach recombination, because of the effects of magnetic diffusion and photon diffusion. Therefore mechanisms based on phase transitions become unlike, as they provide magnetic fields on scales smaller than the horizon. Thus, the observed galactic and intergalactic fields, which are small scales in our terminology must be created after recombination by normal plasma processes during the protogalactic evolution. The large scale fields instead were produced during inflation and may have noticeable implications for the formation of the large scale structure of the Universe. The inclusion of large scale magnetic fields may improve present Cold Dark Matter theories of structure formation.

研究の動機と目的

• 宇宙磁場の起源を、天体物理学的進化の制約を用いて制約すること。
• インフレーションによって生成された大スケール磁場と、再結合以降のプラズマ過程によって生じる小スケール磁場を区別すること。
• 放射支配時代における拡散プロセスを踏まえて、相転移モデルおよびバッテリー効果モデルの妥当性を評価すること。
• 銀河磁場が、再結合後に内部から生成可能かどうか、あるいは初期の種磁場を必要とするかを評価すること。
• 大スケール磁場が冷たいダークマターの構造形成に果たす役割を明確化すること。

提案手法

• スケール因子 a における B ∝ a⁻² のスケーリング則を用いて、磁場が「凍結」された状態での進化を分析する。
• 磁場の崩壊をモデル化するための拡散方程式を適用し、等化以前にホライズン内にあった小スケール磁場が消去されることを示す。
• 等化時のホライズンサイズに対する磁場のコheren scaleを評価し、等化時にホライズン内（小スケール）にあったか、それ以外（大スケール）にあったかを区別する。
• 電子と陽子の質量差および衝突頻度の違いに基づくバッテリー効果が、種磁場生成に有効かどうかを評価する。
• 磁場生成の理論的モデルをレビューし、高赤方偏移のダムプド・ライα系統計からの観測的制約と整合しないものを除外する。
• U(1)ゲージ理論の共形不変性を用いて、摂動を含むロバートソン＝ウォーカー時空における磁場の一般スケーリング則を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 数Mpc未塔のコheren scaleを有する小スケール磁場は、放射支配時代に生存可能か？
• RQ2 磁場および光子の拡散が、銀河磁場の起源にどのような制約を課えるか？
• RQ3 相転移に基づくモデルは、観測可能な銀河磁場を生成可能か？
• RQ4 再結合後に内部のプラズマ過程によって種磁場を生成せずに銀河磁場を生成可能か？
• RQ5 大スケール初期磁場は、宇宙の大規模構造形成にどのような役割を果たすか？

主な発見

• 等化時に数Mpc未塔のコheren scaleを有する小スケール磁場は、放射支配時代中に磁場および光子の拡散によって消去され、再結合に至ることはない。
• 等化時に数Mpcを超えるコheren scaleを有する磁場は、放射支配時代を生き残り、大スケール初期磁場の起源と整合的である。
• 相転移に基づくモデルは、通常は生存できないほど小さなスケールで磁場を生成するため、観測された銀河磁場を生成するには不適切である。
• 再結合以降のプラズマ過程、特にバッテリー効果により、10⁻²⁰ G程度の種磁場が生成可能であり、これは原始銀河の収縮によって10⁻¹⁴ Gまで増幅可能である。
• インフレーション期に生成された大スケール初期磁場は、初期の密度揺らぎに影響を与える可能性があり、冷たいダークマターの構造形成モデルを改善する可能性を秘めている。
• 10⁻²⁰ G程度の初期種磁場を必要とするという要請は、銀河磁場が再結合後に完全に内部のプラズマメカニズムから生じる可能性を示唆しており、初期宇宙のプロセスに依存する必要はない。