[論文レビュー] Primordial magnetic field as a common solution of nanohertz gravitational waves and the Hubble tension

Yao-Yu Li, Chi Zhang+5 more|arXiv (Cornell University)|Jun 29, 2023

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 76被引用数 11

ひとこと要約

この論文は primordial magnetic field による MHD turbulence を、PTA によって検出されたナノヘルツ重力波と結び付け、H0 および S8 緊張を緩和する可能性を示し、QCD期と再結合時の PMF パラメータを制約する。

ABSTRACT

The origin of interstellar and intergalactic magnetic fields remains largely unknown. One possibility is that they are related to the primordial magnetic fields (PMFs) produced by, for instance, the phase transitions of the early Universe. In this paper, we show that the PMF-induced turbulence generated at around the QCD phase transition epoch--the characteristic magnetic field strength $B_{ m ch}^* \sim \mathcal{O}(1)~ m{μG}$ and coherent length scale $\ell_{ m ch}^* \sim \mathcal{O}(1)~ m{pc}$--can naturally accommodate nanohertz gravitational waves reported by pulsar timing array (PTA) collaborations. Moreover, the evolution of the PMFs to the recombination era with the form of $B_{ m ch}\sim \ell_{ m ch}^{-α}$ can induce baryon density inhomogeneities, alter the recombination history, and alleviate the tension of the Hubble parameter $H_0$ and the matter clumpiness parameter $S_8$ between early- and late-time measurements for $0.88\leq α\leq 1.17$ (approximate 95\% credible region based on three PTA likelihoods). The further evolved PMFs may account for the $\sim {\cal O}(10^{-16})$ Gauss extragalactic magnetic field inferred with GRB 221009A.

研究の動機と目的

• 初期宇宙の原始磁場がナノヘルツ帯の確率的重力波背景を生成する可能性を動機づける。
• QCD 位相遷移時の PMF 初期条件 (B_ch^*, l_ch^*) の定量化と、それらの再結合までの進化を CMB および大規模構造の観測と結びつける。
• PMF の進化が PTA データおよび他の宇宙論的プローブと整合しつつ H0 および S8 緊張を緩和できることを示す。
• 再結合モデリングを通じて進化パラメータ alpha および重子団の凝集の影響を推定し、Planck、BAO、H3 の制約と比較する。

提案手法

• PMF を共動的スペクトルを持つガウス過去場としてモデル化し、PMF による MHD の乱れから GW スペクトルを epoch τ_* から τ_end まで計算する。
• Omega_GW(k,t_end) ≈ 3 (k/k_ch^*) Omega_M^* [C(alpha)/A^2(alpha)] p_Pi(k/k_ch^*) を、ソース継続時間 δτ_end およびスケール k_ch^* = 2π / l_ch^* を用いて、B_ch^* と l_ch^* を結びつける。
• PMF の進化を再結合期の重子密度の不均一性へ翻訳する。B_ch ~ l_ch^{-alpha}、そして Alfven 速度 c_A とシミュレーションから凝集係数 b を b ≈ min[1, (c_A/c_s)^4] で結ぶ。
• MontePython に修正済み CLASS を組み込み、Planck 2018、BAO、NANOGrav 15-year、PPTA DR3、EPTA DR2full、および H0 測定値（H3）を用いたベイズ的全体解析を実行する。
• PMF パラメータ B_ch^*, l_ch^*, alpha の事前分布を探索し、2ゾーンの重子不均一モデルを提示して H0 および S8 の変動を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 初期宇宙からの PMF による GW は PTA コラボレーションが観測するナノヘルツ SGWB を再現できるか。
• RQ2 PMF の進化と再結合期の重子密度不均一性は、宇宙論推定（H0 と S8）をコンセンサス値へシフトさせうるか。
• RQ3 PMF 初期強さ B_ch^*, スケール l_ch^*、進化パラメータ alpha の許容範囲は、PTA データと Planck/BAO/H0 データにどのように適合するか。
• RQ4 再結合期の B_ch^rec および凝集係数 b は、アルファと PMF パラメータ間でどのように相関するか。

主な発見

• B_ch^* が約 O(1) μG、l_ch^* が約 O(1) pc となる PMFs は、NANOGrav、PPTA、EPTA によって観測されたナノヘルツ SGWB 信号を説明できる。
• 結合解析は、M1 モデルの下で H0 ≈ 70.4 ± 0.6 および S8 ≈ 0.813 ± 0.01 を示す。
• 再結合期の B_ch^rec は約 0.1 nG、進化パラメータ alpha は約 1 で、凝集係数 b は約 0.5 と強く相関する。
• QCD 時代から再結合までの PMF の進化は整合的で、後の銀河間磁場制約へ B_ch rec が接続されることを示唆し、GRB 221009A は Mpc スケールで B0 ≈ 10^(-16) G を示唆する。
• 統合された PTA と宇宙論データは、PMF パラメータが H0 および S8 の緊張を共に緩和し、CMB および LSS 観測と矛盾しないことを示唆する。