[논문 리뷰] Constraints on the Evolution of the Primordial Magnetic Field from the Small Scale CMB Angular Anisotropy

Dai Yamazaki, Kiyotomo Ichiki외 2명|arXiv (Cornell University)|2006. 02. 09.

Geomagnetism and Paleomagnetism Studies인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 소규모 각도 스케일에서 우주 마이크파온도 비균일성에 대한 원초적 자기장(PMF)의 영향을 모델링하여 PMF를 제약한다. 재이온화, 수정된 물질 음속, 그리고 수냐에프-젤도비치 효과를 포함한 이론적 계산을 통해, WMAP, CBI, ACBAR 데이터와의 비교 기반으로 1 Mpc 스케일에서 |B_λ| ≤ 4.7 nG의 상한선을 도출한다.

ABSTRACT

Recent observations of the cosmic microwave background (CMB) have extended measured the power spectrum to higher multipoles $l\\gtrsim$1000, and there appears to be possible evidence for excess power on small angular scales. The primordial magnetic field (PMF) can strongly affect the CMB power spectrum and the formation of large scale structure. In this paper, we calculate the CMB temperature anisotropies generated by including a power-law magnetic field at the photon last scattering surface (PLSS). We then deduce an upper limit on the primordial magnetic field based upon our theoretical analysis of the power excess on small angular scales. We have taken into account several important effects such as reionization and the modified matter sound speed in the presence of a magnetic field. An upper limit to the field strength of $|B_\\lambda|\\lesssim$ 4.7 nG at the present scale of 1 Mpc is deduced. This is obtained by comparing the calculated theoretical result including the Sunyaev-Zeldovich (SZ) effect with recent observed data on the small scale CMB anisotropies from the Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), the Cosmic Background Imager (CBI) and the Arcminute Cosmology Bolometer Array Receiver (ACBAR). We discuss several possible mechanisms for the generation and evolution of the PMF.

연구 동기 및 목표

• 원초적 자기장(PMF)이 소규모 CMB 각운동량 스펙트럼에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 다중극수 l ≳ 1000에서 관측된 과잉 전력 문제를 해결하기 위해.
• 이론적 예측과 관측 데이터를 비교하여 PMF 강도에 대한 강력한 상한선을 도출하기 위해.
• 재이온화와 PMF 존재 시 수정된 물질 음속과 같은 핵심 물리 효과를 고려하기 위해.
• 초기 우주에서 원초적 자기장을 생성하고 유지하는 가능한 메커니즘을 탐색하기 위해.

제안 방법

• 광자 마지막 산란 표면(PLSS)에서 거듭제곱 법칙을 따르는 원초적 자기장에 의해 생성된 CMB 온도 비균일성을 모델링하기 위해.
• 표준 재이온화 적색편이 파rameter를 통해 재이온화가 CMB 스펙트럼에 미치는 영향을 CMB 스펙트럼에 통합하기 위해.
• 재결합 이전 플라즈마 내 자기장 존재 시 물질 음속의 수정을 고려하기 위해.
• 소규모 각도 스케일에서 CMB의 2차 비균일성을 고려하기 위해 수냐에프-젤도비치(SZ) 효과를 적용하기 위해.
• PMF 기여를 포함한 전체 이론적 CMB 스펙트럼을 WMAP, CBI, ACBAR의 고다중극수 데이터와 비교하기 위해.
• 1 Mpc 공동 스케일에서 PMF 강도를 제약하기 위해 우도 분석을 사용하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 원초적 자기장은 소규모 CMB 비균일성에서 관측된 과잉 전력의 정도를 어느 정도 설명할 수 있는가?
• RQ2 재이온화와 수정된 물질 음속은 원초적 자기장 존재 하에서 CMB 스펙트럼에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 현재 CMB 관측과 일치하는 원초적 자기장의 최대 허용 강도는 무엇인가?
• RQ4 수냐에프-젤도비치 효과를 포함함으로써 원초적 자기장에 대한 제약는 어떻게 변화하는가?
• RQ5 초기 우주에서 원초적 자기장을 생성하고 유지하는 데 가능한 물리적 메커니즘은 무엇인가?

주요 결과

• 현재 1 Mpc 공동 스케일에서 원초적 자기장 강도는 |B_λ| ≤ 4.7 nG로 제약된다.
• 수냐에프-젤도비치 효과를 포함함으로써 이론 모델과 관측된 CMB 비균일성 데이터 간의 일치도가 뚜렷이 향상된다.
• 재이온화와 수정된 물질 음속은 PMF 시나리오 하에서 CMB 스펙트럼을 정확히 모델링하는 데 핵심적인 요소이다.
• PMF 효과를 포함한 이론 모델은 WMAP, CBI, ACBAR의 고다중극수 CMB 데이터와 양호한 일치를 보인다.
• 도출된 PMF 강도 상한선은 여러 관측 데이터셋과 물리적 효과에 걸쳐 강인하다.
• 결과는 원초적 자기장이 존재한다면, 소규모 CMB 비균일성을 과잉으로 생산하지 않도록 매우 약해야 한다는 것을 시사한다.