[論文レビュー] Primordial Weibel instability

Nahuel Mirón-Granese, Esteban Calzetta+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 11, 2021

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 107被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、インフレーション期の粒子生成に起因する量子揺らぎを伴う電荷を帯びたスカラー場と重力の結合系において、再熱期にWeibel不安定性が発生し、原始磁場が増幅され得ることを提案している。2次元相対論的流体力学と緩和時間近似を用いて、超視界の揺らぎに起因する異方性圧力と電荷過剰が、共形希釈を克服するWeibel不安定性を引き起こすことを示している。特に再熱時間が流体の緩和時間よりも短い場合に顕著に顕在し、小スケールでの磁場ホリシティの増幅を促進する。

ABSTRACT

We study the onset of vector instabilities in the post-inflationary epoch of the Universe as a mechanism for primordial magnetic fields amplification. We assume the presence of a charged spectator scalar field arbitrarily coupled to gravity during Inflation in its vacuum de Sitter state. Gravitational particle creation takes place at the transition from Inflation to the subsequent Reheating stage and thus the vacuum field state becomes an excited many particles one. Consequently this state can be described as a real fluid, and we build out the hydrodynamic framework using second order theories for relativistic fluids with a relaxation time prescription for the collision integral. Given the high-temperature regime and the vanishing scalar curvature of the Universe during Reheating (radiation-dominated-type era), the fluid can be regarded as a conformal one. The large quantum fluctuations induced by the rapid transition from inflationary to effectively radiation dominated expansion become statistical fluctuations whereby both a charge excess and anisotropic pressures are produced in any finite domain. The precise magnitude of the effect for each scale is determined by the size of the averaging domain and the coupling to curvature. We look at domains which are larger than the horizon at the beginning of Reheating, but much smaller than our own horizon, and show that in a finite fraction of them the anisotropy and charge excess provide suitable conditions for a Weibel instability. If moreover the duration of reheating is shorter than the relaxation time of the fluid, then this instability can compensate or even overcome the conformal dilution of a primordial magnetic field. We show that the non-trivial topology of the magnetic field encoded in its magnetic helicity is also amplified if present.

研究の動機と目的

• . Weibel不安定性が再熱期に原始磁場を増幅できるかどうかを調査すること。
• . インフレーション期の粒子生成に起因する量子揺らぎが、原始プラズマにおける異方性圧力と電荷過剰を生成する役割を検討すること。
• . Weibel不安定性が、磁場の共形希釈をどのように克服できるかの条件を特定すること。
• . Weibel不安定性の存在下での磁場ホリシティの増幅を分析すること。
• . 初期宇宙プラズマの非理想流体力学を一貫して記述できる、2次元相対論的流体力学フレームワークを確立すること。

提案手法

• . 再熱後の原始プラズマをモデル化するため、衝突積分に緩和時間規定を適用した2次元相対論的流体力学（SOT）を用いる。
• . 再熱後の放射支配期におけるFRW背景において、原始プラズマを共形流体としてモデル化する。
• . de Sitter時空における電荷を帯びたスカラー場を用いて、エネルギー運動量テンソルおよび電荷カレントの真空期待値を計算する。
• . インフレーションから再熱への遷移期における超視界量子揺らぎから、異方性圧力および電荷過剰のノイズ核を導出する。
• . 流体力学方程式の線形化されたベクトル部を解き、不安定モードの分散関係を導出する。
• . 1粒子分布関数にGradに類似したアンザッツを適用し、量子場理論の結果と流体力学的挙動を結びつける。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 . インフレーションに起因する量子揺らぎによって、再熱期における原始プラズマでWeibel不安定性が引き起こされるか。
• RQ2 . Weibel不安定性が、原始磁場の共形希釈をどのように克服できるかの条件は何か。
• RQ3 . 再熱時間と流体の緩和時間の相対的長さが、磁場増幅にどのように影響するか。
• RQ4 . Weibel不安定性は磁場ホリシティを増幅するのか。もしそうなら、スケールにわたってどのように分布するか。
• RQ5 . 2次元相対論的流体力学は、インフレーション期の量子揺らぎによって駆動される非理想流体力学を一貫して記述できるか。

主な発見

• . Weibel不安定性は、インフレーションから再熱への遷移期における超視界量子揺らぎに起因する電荷密度の統計的揺らぎおよび異方性圧力によって引き起こされる。
• . 再熱時間が流体の緩和時間よりも短い場合に、不安定な増幅が共形希釈を克服し、磁場増幅が発生する。
• . 不安定性は、重力結合定数と流体の緩和時間に依存して、再熱終了時の小スケールで磁場がネット増幅されることをもたらす。
• . 磁場ホリシティは増幅され、小スケールに集中し、後の宇宙時代にホリシカルな磁場が生存する可能性が高まる。
• . 2次元流体力学フレームワークは、インフレーション期の量子揺らぎによって生成される異方性圧力テンソルを的確に捉えており、非理想流体力学の一貫した記述を可能にする。
• . 本モデルは、わずかな初期揺らぎですら、初期宇宙におけるWeibel不安定性によって強力でスケール局在的な磁場増幅を引き起こす可能性を示している。