[논문 리뷰] Primordial magnetic field as a common solution of nanohertz gravitational waves and the Hubble tension

Yao-Yu Li, Chi Zhang외 5명|arXiv (Cornell University)|2023. 06. 29.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 76인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 원시 자기장에 의해 유도된 MHD 난류를 PTAs에 의해 탐지된 나노헤르츠 규모의 중력파와 연결하고, H0 및 S8 긴장을 완화시키는 데 기여하며, QCD 시기와 재결합 시기에 PMF 매개변수를 제약한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 초기 우주에서의 원시 자기장이 난류를 생성해 나노헤르츠 대역의 확률적 중력파 배경을 제공할 가능성을 고무한다.
• QCD 상전이에서의 PMF 초기 조건( B_ch^*, l_ch^* )과 재결합까지의 진화를 정량화하고, 이를 CMB와 대규모 구조 관측과 연결한다.
• PMF 진화가 PTA 데이터 및 다른 우주론적 탐침들과 일치하는 범위에서 H0와 S8 긴장을 완화할 수 있음을 보이고, 그 과정에서 H0와 S8에 대한 추론을 재조정한다.
• 진화 매개변수 alpha 및 재결합 모델링을 통한 바리온 응집의 함의를 추론하고 Planck, BAO, 및 H3 제약과 비교한다.

제안 방법

• PMF를 동시공 모형으로 가우시안 랜덤 필드로 모델링하고 comoving 스펙트럼을 설정한 뒤 tau_*에서 tau_end까지 PMF 유도 MHD 난류로부터 GW 스펙트럼을 계산한다.
• Omega_GW(k,t_end) ≈ 3 (k/k_ch^*) Omega_M^* [C(alpha)/A^2(alpha)] p_Pi(k/k_ch^*) 와 같은 소스 지속 시간 delta tau_end 및 스케일 k_ch^* = 2 pi / l_ch^*와 함께 B_ch^* 및 l_ch^*를 연결한다.
• PMF 진화를 재결합 시기의 바리온 밀도 비균일성으로 번역하고 B_ch ~ l_ch^{-alpha}로 표현되며 Alfvén 속도 c_A 및 시뮬레이션을 통해 얻은 응집 계수 b와 연결한다, b ≈ min[1, (c_A/c_s)^4].
• Planck 2018, BAO, NANOGrav 15-year, PPTA DR3, EPTA DR2full, H0 측정(H3)을 이용한 베이지안 글로벌 분석을 수행하기 위해 MONTEPYTHON에 수정된 CLASS 코드를 통합한다.
• PMF 매개변수 B_ch^*, l_ch^*, alpha에 대한 프라이어를 탐구하고 두 구역 바리온 불균일도 모델을 제시하여 H0 및 S8 이동을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 PMF로 인한 초기 우주 난류에서 유도된 GW가 PTA 협력에 의해 관측된 나노헤르츠 SGWB를 재현할 수 있는가?
• RQ2 PMF 진화와 재결합에서의 바리온 밀도 비균일성이 H0 및 S8에 대한 우주론적 추론을 합의 값으로 이동시키는가?
• RQ3 PTA 데이터와 Planck/BAO/H0 데이터에 맞는 PMF 초기 강도 B_ch^*, 스케일 l_ch^*, 진화 매개변수 alpha의 허용 범위는 무엇인가?
• RQ4 재결합 시대의 B_ch^rec와 응집 계수 b가 alpha 및 PMF 매개변수와 어떤 상관 관계를 가지며 epoch 전개와 어떻게 연결되는가?

주요 결과

• B_ch^*가 약 O(1) μG, l_ch^*가 약 O(1) pc인 PMF가 NANOGrav, PPTA, EPTA가 관측한 나노헤르츠 SGWB 신호를 설명할 수 있다.
• 공동 분석에서 M1 모델 하 H0 ≈ 70.4 ± 0.6 및 S8 ≈ 0.813 ± 0.01를 얻었다.
• 재결합 시대의 B_ch^rec가 약 0.1 nG일 수 있고 진화 매개변수 alpha가 약 1에 근접하며 응집 계수 b가 약 0.5와 강하게 상응한다.
• QCD 시대에서 재결합으로의 PMF 진화가 일관되게 나타나며 B_ch rec가 이후 은하간 자기장 제약과 연결되고 GRB 221009A가 ~Mpc 규모에서 B0 ~ 10^(-16) G를 시사한다.
• 복합 PTA 및 우주론 데이터는 PMF 매개변수가 CMB 및 대형 구조 관찰과 충돌 없이 H0 및 S8 긴장을 모두 완화할 수 있도록 해준다.