[논문 리뷰] On the Physics of Primordial Magnetic Fields

E. Battaner, H. Lesch|arXiv (Cornell University)|2000. 03. 24.

Solar and Space Plasma Dynamics인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 초기 우주 자기장 기원에 대한 천체물리학적 제약을 조사하며, 몇 메가파섹 이하의 소규모 자기장은 복사 지배 시기 동안 자기장과 광자 확산로 인해 생존할 수 없다고 주장하여 대부분의 단계 전이 기반 모델을 배제한다. 대신, 대규모 자기장은 인플레이션 기간 동안 형성되었을 가능성이 높으며 대규모 구조에 영향을 줄 수 있고, 은하 자기장은 재결합 이후 플라즈마 과정을 통해 기인할 수 있으며, 10⁻²⁰ G 수준의 전은하계 씨앗 자기장을 필요로 하지 않는다는 점에서 도전적이다.

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.

연구 동기 및 목표

• 우주의 자기장 기원을 천체물리학적 진화 제약 조건을 사용하여 제약하는 것.
• 대규모 자기장(인플레이션에 의해 생성됨)과 소규모 자기장(재결합 이후 플라즈마 과정에 의해 생성됨)을 구분하는 것.
• 복사 지배 시기 동안의 확산 과정을 고려할 때 단계 전이 및 배터리 효과 모델의 타당성을 평가하는 것.
• 은하 자기장이 전은하계 씨앗 자기장이 필요한지 여부를 평가하는 것, 또는 재결합 이후 내부적으로 생성될 수 있는지 여부를 평가하는 것.
• 냉암흑물질 구조 형성에서 대규모 자기장의 역할을 명확히 하는 것.

제안 방법

• 스케일 인자 a의 함수로 B ∝ a⁻²의 척도 관계를 사용하여, 고착 조건 하에서 자기장의 진화를 분석한다.
• 확산 방정식을 적용하여 복사 지배 시기 동안 자기장 감쇠를 모델링하며, 등수평 이전에 하드웨어 수준 이하의 소규모 자기장이 소멸됨을 보여준다.
• 등수평 시점에서 자기장의 응집 척도를 수평 크기와 비교하여, 대규모 자기장(등수평 시점에서 하드웨어 수준 이하)과 소규모 자기장을 구분한다.
• 전자-양성자 질량 및 충돌 빈도의 차이 등으로 인한 배터리 효과가 씨앗 자기장을 생성하는 데의 타당성을 평가한다.
• 자기장 생성 이론 모델을 검토하며, 고적색도의 덮개된 리프라임 α 시스템에서의 관측 제약 조건과 일치하지 않는 모델들을 걸러낸다.
• U(1) 게이지 이론의 동형성 불변성을 사용하여, 변형된 Robertson-Walker 시공간에서 자기장의 일반적 척도 법칙을 유도한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 몇 메가파섹 이하의 응집 척도를 가진 소규모 자기장은 복사 지배 시기 동안 생존할 수 있는가?
• RQ2 자기장과 광자 확산이 은하 자기장 기원에 어떤 제약을 가하는가?
• RQ3 단계 전이 기반 모델은 관측 가능한 은하 자기장을 생성하는 데 타당한가?
• RQ4 재결합 이후 내부 플라즈마 과정을 통해 전은하계 씨앗 자기장을 필요로 하지 않고도 은하 자기장을 생성할 수 있는가?
• RQ5 대규모 초기 자기장은 우주의 대규모 구조 형성에 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 등수평 이전에 몇 메가파섹 이하의 응집 척도를 가진 소규모 자기장은 복사 지배 시기 동안 자기장 및 광자 확산로 인해 소멸되며 재결합 시점까지 생존할 수 없다.
• 등수평 시점에서 몇 메가파섹 이상의 응집 척도를 가진 자기장은 복사 지배 시기 동안 생존 가능하며, 대규모 초기 기원과 일치한다.
• 단계 전이 기반 모델은 일반적으로 생존할 수 없는 너무 작은 척도에서 자기장을 생성하므로 관측된 은하 자기장을 생성하는 데 타당성이 떨어진다.
• 재결합 이후 플라즈마 과정, 예를 들어 배터리 효과는 10⁻²⁰ G 수준의 씨앗 자기장을 생성할 수 있으며, 이는 원시 은하의 붕괴 과정을 통해 10⁻¹⁴ G 수준으로 증폭될 수 있다.
• 인플레이션 기간 동안 생성된 대규모 초기 자기장은 조기 밀도 불균형에 영향을 주어 냉암흑물질 기반의 구조 형성 모델을 향상시킬 수 있다.
• 10⁻²⁰ G 수준의 전은하계 씨앗 자기장이 필요하다는 점은 은하 자기장이 전적으로 재결합 이후 내부 플라즈마 메커니즘에 의해 기인할 수 있으며, 초기 우주 과정에 의해 기인하지는 않는다는 점을 시사한다.