[论文解读] Magnetic Fields and Large Scale Structure in a hot Universe. I. General Equations

E. Battaner, E. Florido+1 more|ArXiv.org|Feb 19, 1996

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 4被引用 12

一句话总结

本文推导了在热的、膨胀的宇宙中控制大尺度磁场非均匀性的线性化方程，表明在共动坐标系中磁场保持 $\vec{B}R^2$ 守恒。研究证明，即使原始磁场较弱，也能引发密度结构并诱导各向异性聚集，通过磁通管导致光子呈丝状集中，显著影响大尺度结构的形成。

ABSTRACT

We consider that no mean magnetic field exists during this epoch, but that there is a mean magnetic energy associated with large-scale magnetic inhomogeneities. We study the evolution of these inhomogeneities and their influence on the large scale density structure, by introducing linear perturbations in Maxwell equations, the conservation of momentum-energy equation, and in Einstein field equations. The primordial magnetic field structure is time independent in the linear approximation, only being diluted by the general expansion, so that $\vec{B}R^2$ is conserved in comoving coordinates. Magnetic fields have a strong influence on the formation of large-scale structure. Firstly, relatively low fields are able to generate density structures even if they were inexistent at earlier times. Second, magnetic fields act anisotropically more recently, modifying the evolution of individual density clouds. Magnetic flux tubes have a tendency to concentrate photons in filamentary patterns.

研究动机与目标

• 研究原初磁场非均匀性如何影响热的、膨胀宇宙中大尺度宇宙结构的形成。
• 在辐射主导时期对磁场的演化及其与密度扰动的耦合进行建模。
• 确定弱的、大尺度的磁场是否能在无初始密度非均匀性的情况下生成或改变宇宙密度结构。
• 分析磁场对单个密度云动力学及光子集中所引起的各向异性效应。
• 推导一组一致的线性化方程，将麦克斯韦方程、能量-动量守恒与爱因斯坦场方程结合，以描述此情景。

提出的方法

• 在麦克斯韦方程中构建线性扰动，以描述热的、膨胀宇宙中磁场非均匀性的演化。
• 将线性化的动量-能量守恒与爱因斯坦场方程结合，将磁场与时空曲率及物质密度耦合。
• 假设无平均磁场但存在非零的平均磁场能量，来自大尺度非均匀性，系统在线性近似下处理。
• 推导出在共动坐标系中 $\vec{B}R^2 = \text{constant}$ 的守恒律，表明磁通仅因宇宙膨胀而稀释，而非因动力学过程。
• 分析磁场的各向异性应力对密度结构的影响，特别关注磁通管的作用。
• 使用 A&A LaTeX 宏包以在宇宙学背景下一致地呈现方程和物理量。

实验结果

研究问题

• RQ1 在无初始密度扰动的情况下，大尺度磁场非均匀性是否能生成密度结构？
• RQ2 在热的、膨胀宇宙中，磁场的演化如何影响大尺度宇宙结构的形成？
• RQ3 磁通管在早期宇宙中如何集中光子并塑造丝状结构？
• RQ4 磁场如何影响结构形成过程中单个密度云的各向异性演化？
• RQ5 在共动坐标系中 $\vec{B}R^2$ 的守恒在多大程度上限制了原初磁场的演化？

主要发现

• 即使初始密度扰动不存在，磁场也能通过其各向异性应力引发大尺度密度结构。
• 在共动坐标系中，$\vec{B}R^2$ 保持守恒，意味着磁通仅因宇宙膨胀而稀释，不因动力学过程而改变。
• 即使相对较弱的磁场也能通过诱导各向异性压强并改变云团动力学，对结构形成产生强烈影响。
• 磁通管倾向于将光子集中成丝状模式，促进宇宙网状结构的形成。
• 线性近似允许电磁场与时空曲率及物质实现一致耦合，验证了该模型在早期宇宙宇宙学中的适用性。
• 该模型表明，磁场是大尺度结构形成的重要驱动力，尤其通过各向异性应力和磁通管动力学实现。