[论文解读] Galactic dynamo seeds from non-superconducting spin-polarised strings

L. C. García de Andrade|arXiv (Cornell University)|Jan 12, 2014

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 19被引用 3

一句话总结

该论文提出，在爱因斯坦-嘉当-麦克斯韦引力理论中，非超导性自旋极化的宇宙弦通过几何挠率与涡度产生原初磁场，生成约 $10^{-22}$ G 的宇宙种子磁场，与星系发电机模型相容。该模型通过挠率诱导的磁场和涡度驱动的磁场，无需超导性即可重现观测到的星系际磁场（$\sim10^{-5}$ G）。

ABSTRACT

Earlier Enqvist and Olesen have shown that formation of ferromagnetic planar walls in vacuum at GUT scales in comoving plasmas may generate a large scale magnetic field of $B_{now}\simeq{10^{-14}G}$. In this paper we show that starting from classical Einstein-Cartan-Maxwell strong gravity, a spin-polarised ferromagnetic cylinder gives rise to a cosmological magnetic field of the order $B_{now}\simeq{10^{-22}G}$. Vorticity of cylinder is used to obtain galactic magnetic fields. Magnetic fields up to $B\sim{10^{9}G}$ can be obtained from the spin density of the cylinder. If matching conditions are used cosmological magnetic fields of the order of $B\sim{10^{-16}R\frac{Gauss}{cm}}$ where $R$ is the radius of the cosmic strings. For a cosmic string with the radius of an hydrogen atom the cosmic magnetic field is $B\sim{10^{-32}Gauss}$ which is enough to seed galactic dynamos.

研究动机与目标

• 研究非超导性自旋极化的宇宙弦是否能够产生足够强的原初磁场以种子星系发电机。
• 探讨爱因斯坦-嘉当-麦克斯韦引力中时空挠率与涡度在磁生成机制中的作用。
• 利用匹配条件与涡度计算自旋极化圆柱体的磁场，将其结果与观测到的星系际磁场进行比较。
• 证明这些弦中的电流传导过弱，无法支持超导性，从而与以往模型相区别。
• 通过观测约束验证该模型，包括星系际介质中 $B \sim 10^{-5}$ G 以及发电机种子场中 $B \sim 10^{-22}$ G 的条件。

提出的方法

• 推导自旋极化圆柱形宇宙弦在非零挠率与涡度下的爱因斯坦-嘉当-麦克斯韦（ECM）场方程的精确解。
• 在黎曼-嘉当时空中应用内外部时空度量之间的匹配条件，将磁场与弦的半径和自旋密度关联起来。
• 利用卡坦结构方程从联络形式 $\omega^i_j$ 计算挠率 $T^i = 2k\sigma \delta^i_0 \theta^1 \wedge \theta^2$ 与曲率分量 $R^i_j$。
• 通过 $B_z \sim \sigma$ 计算磁场，并利用 $B_z \sim \frac{c^3}{4\pi G}T$ 将其与挠率关联，其中 $T \sim 10^{-17} \, \text{cm}^{-1}$ 取自实验室实验。
• 利用哈里森-里思涡度 $\Omega \sim 10^{-9} \, \text{rad/s}$ 评估涡度驱动的磁场，得出 $B_z \sim 10^{-5}$ G。
• 将结果与超导弦的毕奥-萨伐尔定律进行比较，表明电流传导过弱，无法支持超导性，从而确认其非导电性。

实验结果

研究问题

• RQ1 非超导性自旋极化的宇宙弦能否产生足够强的原初磁场以种子星系发电机？
• RQ2 在爱因斯坦-嘉当-麦克斯韦引力中，时空挠率如何促进宇宙弦中的磁场生成？
• RQ3 涡度在产生与星系际介质一致的大尺度磁场中起什么作用？
• RQ4 在黎曼-嘉当时空中，匹配条件如何将磁场与宇宙弦的半径和自旋密度关联起来？
• RQ5 尽管这些宇宙弦具有磁场，为何其仍为非导电体？

主要发现

• 通过自旋极化宇宙弦中的挠率，生成了约 $B_{\text{now}} \sim 10^{-22}$ G 的磁场，足以种子星系发电机。
• 利用哈里森-里思涡度 $\Omega \sim 10^{-9}$ rad/s，该模型产生 $B_z \sim 10^{-5}$ G 的磁场，与观测到的星系际磁场一致。
• 对于半径等于氢原子半径（$R \sim 10^{-8}$ cm）的宇宙弦，磁场为 $B \sim 10^{-32}$ G，仍可作为有效种子磁场。
• 这些弦中的电流传导过弱，无法支持超导性，确认其为非导电体，与以往模型不同。
• 关系式 $B_z \sim \frac{c^3}{4\pi G}T$ 将磁场与挠率直接关联，其中 $T \sim 10^{-17}$ cm⁻¹ 可产生 $B \sim 10^{-22}$ G。
• 该模型仅通过挠率与涡度即可重现观测到的磁场，无需依赖超导性或强电流。