[論文レビュー] Vector and Tensor Microwave Background Signatures of a Primordial Stochastic Magnetic Field

Andrew Mack, Tina Kahniashvili+1 more|arXiv (Cornell University)|May 29, 2001

Geomagnetism and Paleomagnetism StudiesBiochemistry, Genetics and Molecular Biology被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、初期宇宙におけるプライミordialな確率的磁場から生じるベクトルおよびテンソル摂動が引き起こすマイクロ波背景放射の温度および偏光パワー スペクトルの解析的表現を導出する。スケール不変の磁場で、共動的な減衰スケールが1.4 Mpcの場合、現在のCMBデータは共動平均磁場強度を≤6×10⁻¹⁰ Gまで制限する。因果的に生成された磁場の場合、この値は≤3×10⁻¹¹ Gまで改善され、大スケールのプライミordial磁場に対する現在最も強い制限を与える。

ABSTRACT

A stochastic magnetic field in the early Universe will produce anisotropies in the temperature and polarization of the cosmic microwave background. We derive analytic expressions for the microwave background temperature and polarization power spectra induced by vector and tensor perturbations from a power-law magnetic field. For a scale-invariant stochastic magnetic field with a comoving damping scale of 1.4 Mpc, current microwave background temperature measurements constrain the comoving mean-field amplitude to be no greater than approximately $6\ imes 10^{-10}$ G. Limits improve as the power-law slope increases: for causally-generated power-law magnetic fields, the comoving mean-field amplitude has an upper bound of approximately $3\ imes 10^{-11}$ G. These are the strongest current limits on large-scale primordial magnetic fields.

研究の動機と目的

• プライミordialな確率的磁場が宇宙マイクロ波背景（CMB）の温度および偏光非一様性に与えるインプリントをモデル化すること。
• 初期宇宙におけるパワー則磁場から生じるベクトルおよびテンソル摂動の解析的表現を導出すること。
• 現在のCMB温度測定データを用いて、大スケールのプライミordial磁場の振幅を制約すること。
• CMBパワー スペクトルにおけるベクトルおよびテンソル寄与を活用することで、既存のプライミordial磁場の上限を改善すること。

提案手法

• パワー則スペクトルを有する確率的磁場から生じるベクトルおよびテンソル摂動によるCMB温度および偏光パワー スペクトルの解析的表現を導出する。
• 磁場を共動的な減衰スケールが1.4 Mpcであるスケール不変または因果的に生成されたパワー則スペクトルとしてモデル化する。
• 初期宇宙における線形摂動論を適用し、ベクトルおよびテンソルモードから誘導される温度および偏光の非一様性を計算する。
• 観測されたCMB温度パワー スペクトルデータを用いて、プライミordial磁場の振幅を制約する。
• 制約が磁場スペクトルのパワー則勾配にどのように依存するかを評価する。
• 理論的予測であるベクトルおよびテンソルCMBシグネチャーを現在の観測限界と比較し、共動平均磁場強度の上限を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 プライミordialな確率的磁場から生じるベクトルおよびテンソル摂動が引き起こすCMB温度および偏光パワー スペクトルの解析的表現は何か？
• RQ2 共動的な減衰スケールが1.4 Mpcであるスケール不変のプライミordial磁場の振幅は、現在のCMB温度測定によってどのように制約されるか？
• RQ3 プライミordial磁場の振幅に対する制約は、磁場スペクトルのパワー則勾配にどのように依存するか？
• RQ4 CMB観測から導かれる大スケールのプライミordial磁場に対する現在最も強い上限は何か？

主な発見

• 共動的な減衰スケールが1.4 Mpcであるスケール不変の確率的磁場の場合、CMB温度パワー スペクトルは共動平均磁場強度を≤6×10⁻¹⁰ Gまで制限する。
• 因果的に生成されたパワー則磁場の場合、共動平均磁場強度の上限は≤3×10⁻¹¹ Gまで改善される。
• 得られた制約は、大スケールのプライミordial磁場に対する現在最も強い限界を示している。
• 磁場からのベクトルおよびテンソル摂動は、CMBの温度および偏光における測定可能な非一様性を生じる。
• 制約の強さは、磁場スペクトルのパワー則勾配が急になるほど増大する。
• 本分析は、CMB観測がスカラーモードを超えてプライミordial磁場を強力に探査可能であることを示している。