[논문 리뷰] Primordial Weibel instability

Nahuel Mirón-Granese, Esteban Calzetta외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 11.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 107인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 중력과 결합된 전하를 띤 스칼라 장에서 인플레이션 기간의 양자 양자역학적 붕괴에 의해 발생하는 입자 생성에 의해, 재가열 기간 동안 웨이블 성 instability에 의해 초기 자기장이 증폭될 수 있다고 제안한다. 두 번째 차수의 상대론적 유체역학과 비례 시간 근사법을 사용하여, 초수평 스케일의 양자 양동에서 기인한 비대칭 압력과 전하 과잉이 웨이블 성 instability를 유도함으로써, 특히 재가열 기간이 유체의 비례 시간보다 짧을 경우, 등각적 희석을 극복하고 소규모 스케일에서 자기장 헬리시티를 더욱 증폭시킬 수 있음을 보여준다.

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.

연구 동기 및 목표

• . 재가열 시기 동안 웨이블 성 instability가 초기 자기장을 증폭시킬 수 있는지 조사하기 위해.
• . 인플레이션 기간의 입자 생성에서 기인한 양자 양동이 초기 플라즈마에서 비대칭 압력과 전하 과잉을 생성하는 데서 수행하는 역할을 검토하기 위해.
• . 웨이블 성 instability가 초기 자기장의 등각적 희석을 극복할 수 있는 조건을 규명하기 위해.
• . 웨이블 성 instability 존재 하에서 자기장 헬리시티의 증폭을 분석하기 위해.
• . 초기 우주 플라즈마의 비이상적 유체역학을 일관된 방식으로 기술하기 위해 두 번째 차수의 상대론적 유체역학 프레임워크를 수립하기 위해.

제안 방법

• . 재가열 이후의 초기 플라즈마를 모델링하기 위해 충돌 적분에 대해 비례 시간 규정을 사용한 두 번째 차수의 상대론적 유체역학(SOT)을 사용한다.
• . 재가열 이후의 복사 지배 시기 동안, FRW 배경에서 등각성 유체로 초기 플라즈마를 모델링한다.
• . 디 de Sitter 시공간에서 전하를 띤 스칼라 장을 사용하여 에너지-운동량 텐서와 전하 전류의 진공 기대값을 계산한다.
• . 인플레이션에서 재가열으로의 전이 기간 동안 초수평 스케일의 양자 양동에서 기인한 비대칭 압력과 전하 과잉의 노이즈 커널을 유도한다.
• . 선형화된 유체역학 방정식의 벡터 성분을 해결하여 불안정한 모드의 분산 관계를 유도한다.
• . 양자장 이론 결과를 유체역학적 거동과 연결하기 위해 1-입자 분포 함수에 대해 그라드 유사 가정을 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 . 인플레이션에서 기인한 양자 양동으로 인해 재가열 기간 동안 초기 플라즈마에서 웨이블 성 instability가 유도될 수 있는가?
• RQ2 . 웨이블 성 instability가 초기 자기장의 등각적 희석을 극복할 수 있는 조건은 무엇인가?
• RQ3 . 재가열 기간이 유체의 비례 시간에 비해 얼마나 길거나 짧은가에 따라 자기장 증폭에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 . 웨이블 성 instability는 자기장 헬리시티를 증폭시키는가? 만약 그렇다면, 스케일에 따라 어떻게 분포되는가?
• RQ5 . 두 번째 차수의 상대론적 유체역학은 인플레이션 기간의 양자 양동에 의해 유도된 비이상적 유체역학을 일관되게 기술할 수 있는가?

주요 결과

• . 웨이블 성 instability는 인플레이션에서 재가열으로의 전이 기간 동안 초수평 스케일의 양자 양동에서 기인한 전하 밀도의 통계적 변동과 비대칭 압력에 의해 유도된다.
• . 재가열 기간이 유체의 비례 시간보다 짧을 경우, 불안정한 성장이 등각적 희석을 극복할 수 있어 자기장 증폭이 발생한다.
• . 불안정성은 재가열의 끝에서 하드스코프 스케일에서 자기장의 순 증폭을 이끌어내며, 이는 중력 결합 계수와 유체의 비례 시간에 따라 달라진다.
• . 자기장 헬리시티는 소규모 스케일에서 증폭되고 집중되어, 후속 천체물리학적 시기에 헬리컬 자기장이 생존할 가능성이 증가한다.
• . 두 번째 차수의 유체역학 프레임워크는 인플레이션 양자 양동에 의해 생성된 비대칭 압력 텐서를 성공적으로 캡처하여, 비이상적 유체역학의 일관된 기술을 가능하게 한다.
• . 이 모델은 조용한 초기 변동조차도 초기 우주에서 웨이블 성 instability를 통해 강력하고 스케일 집중형 자기장 증폭을 유도할 수 있음을 보여준다.