[论文解读] Constraints on the Evolution of the Primordial Magnetic Field from the Small Scale CMB Angular Anisotropy

Dai Yamazaki, Kiyotomo Ichiki+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 9, 2006

Geomagnetism and Paleomagnetism Studies被引用 6

一句话总结

本文通过建模原初磁场（PMF）对宇宙微波背景（CMB）在小角度尺度上的温度非均匀性的影响，对原初磁场施加了限制。通过包含再电离、修正的物质声速以及萨尼娅夫-泽尔多维奇效应的理论计算，作者基于与WMAP、CBI和ACBAR数据的比较，得出在1 Mpc尺度上|B_λ| ≤ 4.7 nG的上限。

ABSTRACT

Recent observations of the cosmic microwave background (CMB) have extended measured the power spectrum to higher multipoles $l\\gtrsim$1000, and there appears to be possible evidence for excess power on small angular scales. The primordial magnetic field (PMF) can strongly affect the CMB power spectrum and the formation of large scale structure. In this paper, we calculate the CMB temperature anisotropies generated by including a power-law magnetic field at the photon last scattering surface (PLSS). We then deduce an upper limit on the primordial magnetic field based upon our theoretical analysis of the power excess on small angular scales. We have taken into account several important effects such as reionization and the modified matter sound speed in the presence of a magnetic field. An upper limit to the field strength of $|B_\\lambda|\\lesssim$ 4.7 nG at the present scale of 1 Mpc is deduced. This is obtained by comparing the calculated theoretical result including the Sunyaev-Zeldovich (SZ) effect with recent observed data on the small scale CMB anisotropies from the Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), the Cosmic Background Imager (CBI) and the Arcminute Cosmology Bolometer Array Receiver (ACBAR). We discuss several possible mechanisms for the generation and evolution of the PMF.

研究动机与目标

• 研究原初磁场（PMF）对小尺度CMB角功率谱的影响。
• 解决在多重矩数l ≳ 1000时观测到的CMB非均匀性中过剩功率的问题。
• 通过将理论预测与观测数据进行比较，推导出原初磁场强度的稳健上限。
• 在原初磁场存在的情况下，考虑再电离和修正物质声速等关键物理效应。
• 探讨原初磁场生成与演化的合理机制。

提出的方法

• 在光子最后散射面（PLSS）处对幂律原初磁场产生的CMB温度非均匀性进行建模。
• 通过标准再电离红移参数，将再电离对CMB功率谱的影响纳入模型。
• 在再组合之前等离子体中存在磁场的情况下，考虑物质声速的修正。
• 应用萨尼娅夫-泽尔多维奇（SZ）效应，以在小角度尺度上考虑CMB的次级非均匀性。
• 将包含PMF贡献的完整理论CMB功率谱与WMAP、CBI和ACBAR的高多重矩数据进行比较。
• 使用似然分析，在1 Mpc共动尺度上约束PMF强度。

实验结果

研究问题

• RQ1 原初磁场在多大程度上可以解释小尺度CMB非均匀性中观测到的过剩功率？
• RQ2 在原初磁场存在的情况下，再电离和修正的物质声速如何影响CMB功率谱？
• RQ3 与当前CMB观测一致的原初磁场最大允许强度是多少？
• RQ4 包含萨尼娅夫-泽尔多维奇效应如何影响对原初磁场的约束？
• RQ5 哪些物理机制可能在早期宇宙中生成并维持原初磁场？

主要发现

• 原初磁场强度在当前1 Mpc共动尺度上被约束为|B_λ| ≤ 4.7 nG。
• 包含萨尼娅夫-泽尔多维奇效应显著提高了理论模型与观测到的CMB非均匀性数据之间的一致性。
• 再电离和修正的物质声速是在PMF情景下准确建模CMB功率谱的关键因素。
• 包含PMF效应的理论模型与WMAP、CBI和ACBAR的高多重矩CMB数据表现出良好一致性。
• 对PMF强度的推导上限在多个观测数据集和物理效应下均具有鲁棒性。
• 结果表明，若原初磁场存在，其强度必须足够弱，以避免过度产生小尺度CMB非均匀性。