[论文解读] On the Physics of Primordial Magnetic Fields

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

Solar and Space Plasma Dynamics被引用 5

一句话总结

本文研究原初磁场起源的天体物理学约束，认为波长小于几兆秒差距的小尺度磁场无法在辐射主导时期存活，这是由于磁扩散和光子扩散所致，因而排除了大多数基于相变的模型。相反，大尺度磁场可能在暴胀期间形成，并可能影响大尺度结构；而星系磁场则可能在再结合之后通过电浆过程产生，这挑战了需要强度低至10⁻²⁰ G的原星系种子磁场的必要性。

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.

研究动机与目标

• 利用天体物理学演化约束，限制宇宙磁场的起源。
• 区分大尺度磁场（暴胀产生）与小尺度磁场（再结合后电浆过程形成）。
• 在辐射主导时期扩散过程的背景下，评估相变模型与电池效应模型的可行性。
• 评估星系磁场是否需要原星系种子磁场，或是否可在再结合后通过内部过程生成。
• 阐明大尺度磁场在冷暗物质结构形成中的作用。

提出的方法

• 在冻结场条件下分析磁场演化，使用缩放关系 B ∝ a⁻²，其中 a 为尺度因子。
• 应用扩散方程以模拟辐射主导时期磁场的衰减，表明小尺度磁场（在相等时刻之前处于视界内）会被抹除。
• 评估磁场相干尺度相对于相等时刻视界大小的关系，区分大尺度磁场（在相等时刻处于视界内）与小尺度磁场。
• 评估电池效应（例如电子-质子质量与碰撞频率差异）生成种子磁场的可行性。
• 回顾磁发生理论模型，剔除与高红移吸收线系中观测约束不一致的模型。
• 利用U(1)规范场论的共形不变性，推导扰动Robertson-Walker时空中磁场的一般缩放规律。

实验结果

研究问题

• RQ1 波长小于几兆秒差距的小尺度磁场能否在辐射主导时期存活？
• RQ2 磁扩散与光子扩散对星系磁场起源施加了何种约束？
• RQ3 基于相变的模型是否能生成可观测到的星系磁场？
• RQ4 星系磁场是否可在无原星系种子磁场的情况下，通过内部电浆过程生成？
• RQ5 大尺度原初磁场在宇宙大尺度结构形成中扮演何种角色？

主要发现

• 波长小于几兆秒差距的磁场，其相干尺度在辐射主导时期因磁扩散与光子扩散而被抹除，无法存活至再结合时期。
• 在相等时刻相干尺度大于几兆秒差距的磁场可存活辐射主导时期，与大尺度原初起源一致。
• 基于相变的模型不太可能产生观测到的星系磁场，因为其通常在尺度过小而无法存活的条件下生成磁场。
• 再结合后的电浆过程（如电池效应）可生成低至10⁻²⁰ G的种子磁场，这些磁场可通过原星系坍缩被放大至10⁻¹⁴ G。
• 在暴胀期间产生的大尺度原初磁场可能通过影响早期密度涨落，改善冷暗物质结构形成模型。
• 要求原星系种子磁场低至10⁻²⁰ G 的事实表明，星系磁场可能完全源于再结合后内部电浆机制，而非早期宇宙过程。