[论文解读] Magnetic fields and large-scale structure in a hot universe. II. Magnetic flux tubes and filamentary structure

E. Florido, E. Battaner|arXiv (Cornell University)|Oct 17, 1997

Solar and Space Plasma Dynamics被引用 7

一句话总结

本文研究了在辐射主导的宇宙中，原初磁通量管如何驱动大尺度丝状结构的形成，例如在星系超星系团中观测到的结构。通过数值和解析方法，表明密度不均匀性随时间演化为稳定、丝状的构型，表明磁通量管是塑造宇宙结构的一种可行机制，且在再结合之后无显著阻尼。

ABSTRACT

In paper I, we obtained an equation for the evolution of density inhomogeneities in a radiation dominated universe when they are affected by magnetic fields. In this second paper we apply this equation to the case in which the subjacent magnetic configuration is a flux tube. For scales of the order of 1 Mpc or less the differential equation is elliptical. To solve it, we have used the numerical method based on "Simultaneous Over Relaxation", SOR, with Chebyshev acceleration and we have treated the problem as a boundary value problem, which restricts the prediction ability of the integration. For large-scale flux tubes, much larger than 1 Mpc, the equation can be analytically integrated and no assumption about the final shape or magnitude of the inhomogeneity is required. In both cases we obtain an evolution which does not differ very much from linear in time. The inhomogeneity in the density becomes filamentary. Large scale structures ($\\ge$ 10 Mpc) are probably unaffected by damping, non-linear and amplification mechanisms after Equality, so that this model provides a tool to interpret the present observed large scale structure. Filaments are very frequently found in the large-scale structure in the Universe. It is suggested here that they could arise from primordial magnetic flux tubes, thus providing an alternative hypothesis for its interpretation; in particular we consider the case of the Coma-A1367 supercluster, where the magnetic field is known to be high.

研究动机与目标

• 探究原初磁通量管在辐射主导宇宙中对大尺度宇宙结构形成的贡献。
• 解决线性模型在解释星系超星系团观测到的丝状形态方面的局限性。
• 确定磁场是否能在宇宙时标内维持并放大密度不均匀性。
• 分析在小尺度（≤1 Mpc）和大尺度（>1 Mpc）结构下，磁通量管构型中密度扰动的演化。
• 评估磁通量管作为宇宙丝状结构起源的替代解释的可行性，特别是在室女座-狮子座星系群（Coma-A1367）超星系团等系统中。

提出的方法

• 求解论文I中推导出的、描述磁场所影响下密度不均匀性演化的微分方程，特别针对磁通量管构型。
• 对小尺度磁通量管（≤1 Mpc）使用具有切比雪夫加速的逐次超松弛（SOR）方法数值求解椭圆型偏微分方程。
• 将问题视为边值问题，对边界处的磁场和密度分布施加约束。
• 对大尺度磁通量管（>1 Mpc），对控制方程进行解析积分，不假设不均匀性的最终形状或振幅。
• 使用A&A期刊LaTeX宏包以确保结果格式一致并可验证。
• 将密度扰动的时间演化与线性增长进行比较，评估由磁场效应引起的偏差。

实验结果

研究问题

• RQ1 在辐射主导的宇宙中，磁通量管是否能在≥1 Mpc尺度上生成并维持丝状密度结构？
• RQ2 磁场如何随时间影响密度不均匀性的增长率和形态？
• RQ3 在宇宙均等之后，大尺度结构（≥10 Mpc）在多大程度上受阻尼、非线性效应或场放大机制的影响？
• RQ4 原初磁通量管能否解释室女座-狮子座星系群超星系团中观测到的丝状结构？
• RQ5 在磁通量管磁场构型下，密度扰动的时间演化特性是什么？

主要发现

• 对于≤1 Mpc的尺度，磁通量管作用下密度不均匀性的演化可通过使用SOR与切比雪夫加速的数值求解椭圆型微分方程良好描述。
• 数值解受边界条件约束，限制了对初始条件的预测能力。
• 对于大尺度磁通量管（>1 Mpc），控制方程可进行解析积分，从而在不假设最终形状或幅度的情况下实现演化。
• 在两种情形下，密度不均匀性的增长近似与时间成线性关系，表明与线性演化偏差极小。
• 所得密度结构呈丝状，与大尺度宇宙结构中观测到的形态一致。
• 大尺度结构（≥10 Mpc）在均等之后可能不受阻尼、非线性或放大机制的影响，支持该模型对当前观测的解释可行性。