[论文解读] Cosmic Magnetic Fields in Large Scale Filaments and Sheets

Dongsu Ryu, Hyesung Kang+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 24, 1998

Solar and Space Plasma Dynamics被引用 65

一句话总结

本文通过宇宙流体动力学模拟研究了与大尺度结构（如丝状物和片状结构）相关的宇宙磁场，模拟磁场几何分布。研究得出这些结构中磁场的上限约为1 μG，显著高于以往估计，表明其强度可能足以影响宇宙射线传播和结构形成。

ABSTRACT

We consider the possibility that cosmic magnetic field, instead of being uniformly distributed, is strongly correlated with the large scale structure of the universe. Then, the observed rotational measure of extra-galactic radio sources would be caused mostly by the clumpy magnetic field in cosmological filaments/sheets rather than by a uniform magnetic field, which was often assumed in previous studies. As a model for the inhomogeneity of the cosmological magnetic field, we adopt a cosmological hydrodynamic simulation, where the field is passively included, and can approximately represent the real field distribution with an arbitrary normalization for the field strength. Then, we derive an upper limit of the magnetic field strength by comparing the observed limit of rotational measure with the rotational measure expected from the magnetic field geometry in the simulated model universe. The resulting upper limit to the magnetic field in filaments and sheets is ${\bar B}_{fs} \la 1 μG$ which is $\sim10^3$ times higher than the previously quoted values. This value is close to, but larger than, the equipartition magnetic field strength in filaments and sheets. The amplification mechanism of the magnetic field to the above strength is uncertain. The implications of such a strength of the cosmic magnetic field are discussed.

研究动机与目标

• 通过建模大尺度结构中磁场的非均匀分布，而非假设其均匀，重新评估星际磁场的上限。
• 解决类星体观测旋转量（RMs）与先前均匀场模型之间的不一致问题，后者低估了磁场强度。
• 探讨丝状物和片状结构中的磁场是否足够强以影响宇宙射线传播和结构形成。
• 将模拟的磁场几何分布与观测的RM数据进行比较，以约束宇宙结构中磁场强度。
• 评估更强、更不均匀的磁场对宇宙射线约束及高能天体物理现象的影响。

提出的方法

• 利用包含被动演化磁场的宇宙流体动力学模拟，以在大尺度结构中模拟现实的磁场分布。
• 假设磁场集中在丝状物和片状结构中，而在空洞中可忽略不计，以反映观测到的物质分布。
• 基于电子密度对B⋅dl的积分，计算视线方向上的预期旋转量（RM）。
• 将模拟的RM值与观测的RM上限（z=2.5时≤5 rad m⁻²）进行比较，以推导磁场强度的上限。
• 应用磁场不得超过观测RM的约束条件，利用模拟的几何结构推断最大可能的磁场强度。
• 将推导出的上限与等能量分配下的磁场强度及宇宙结构中已知的放大机制进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 在观测旋转量限制下，大尺度丝状物和片状结构中宇宙磁场的最大可能强度是多少？
• RQ2 与均匀场模型相比，假设磁场在结构中呈不均匀、与结构相关分布，如何影响星际磁场强度的上限？
• RQ3 强度约为1 μG的丝状物和片状结构中的磁场能否解释观测到的宇宙射线各向异性和约束效应？
• RQ4 在大尺度结构中约1 μG的磁场对宇宙射线传播和能量损失有何影响？
• RQ5 丝状物和片状结构中磁场的几何分布如何影响来自河外射电源的法拉第旋转量（RM）观测？

主要发现

• 大尺度丝状物和片状结构中磁场强度的上限被约束在≤1 μG，约为基于均匀场假设的先前估计的1000倍。
• 该上限接近但略高于此类结构中预期的等能量分配磁场强度，表明其在物理上是合理的。
• 与均匀场模型相比，丝状物和片状结构中的不均匀场模型会产生更高的预期旋转量，因此需要更强的磁场才能匹配观测结果。
• 推导出的约1 μG的磁场强度足以将高能宇宙射线（E > 10^19 eV）限制在超星系平面内，从而解释观测到的到达方向各向异性的成因。
• 如此强度的磁场可显著改变宇宙射线通量稀释效应，使其从1/d²降低至1/d，从而增强遥远源的可探测性。
• 结果表明，大尺度结构中的磁场可能在塑造宇宙射线的传播路径和能量分布方面发挥关键作用，尤其是在超过GZK截止能量时。