[论文解读] On the magnetic evolution in Friedmann universes and the question of cosmic magnetogenesis

Christos G. Tsagas|arXiv (Cornell University)|Dec 15, 2014

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

一句话总结

该论文挑战了长期以来认为原初磁场在弗里德曼宇宙中绝热衰减的假设，表明由于电流传导的因果性限制，超 horizon 尺度的磁场可经历超绝热放大。这导致衰减速率比 $ B \propto a^{-2} $ 更慢，从而在不引入新物理的前提下实现天体物理上相关的磁场强度。

ABSTRACT

We analyse the evolution of primordial magnetic fields in spatially flat Friedmann universes and reconsider the belief that, after inflation, these fields decay adiabatically on all scales. Without~abandoning classical electromagnetism or standard cosmology, we demonstrate that this is not necessarily the case for superhorizon-sized magnetic fields. The underlying reason for this is causality, which confines the post-inflationary process of electric-current formation, electric-field elimination and magnetic-flux freezing within the horizon. As a result, the adiabatic magnetic decay is not a~priori guaranteed on super-Hubble scales. Instead, after inflation, large-scale magnetic fields obey a~power-law solution, where one of the modes drops at a rate slower than the adiabatic. Whether this slowly decaying mode can dominate and dictate the post-inflationary magnetic evolution depends on the initial conditions. These are determined by the evolution of the field during inflation and by the nature of the transition from the de Sitter phase to the reheating era and then to the subsequent epochs of radiation and dust. We discuss two alternative and complementary scenarios to illustrate the role and the implications of the initial conditions for cosmic magnetogenesis. Our main claim is that magnetic fields can be superadiabatically amplified after inflation, as long as they remain outside the horizon. This means that inflation-produced fields can reach astrophysically relevant residual strengths without breaking away from standard physics. Moreover, using the same causality arguments, one can constrain (or in some cases assist) the non-conventional scenarios of primordial magnetogenesis that amplify their fields during inflation. Finally, we show that our results extend naturally to the marginally open and the marginally closed Friedmann universes.

研究动机与目标

• 重新审视原初磁场在弗里德曼宇宙中所有尺度均绝热衰减的假设。
• 研究因果性在限制电流传导形成与磁通量冻结至亚 horizon 尺度中的作用。
• 评估在不违反经典电动力学或标准宇宙学的前提下，暴胀后大尺度磁场是否可能发生超绝热放大。
• 评估在暴胀和再加热期间确定的初始条件对暴胀后磁场演化的影响。
• 将分析扩展至略为开放和闭合的弗里德曼模型，评估该机制的普适性。

提出的方法

• 利用经典电动力学与标准宇宙学，分析空间平坦的弗里德曼-勒梅特-罗伯逊-沃尔克（FRW）宇宙中磁场的演化。
• 应用因果性论证，表明电流传导与磁通量冻结无法在超 horizon 尺度上相关联，从而否定了全局磁通量守恒的假设。
• 推导暴胀后超 horizon 磁场的幂律解，识别出一种衰减速率慢于 $ a^{-2} $ 的缓慢衰减模态，其主导性取决于初始条件。
• 考虑两种互补的初始条件情景：一种为强 de Sitter 增强，另一种为温和增强，以探究其对磁场放大的影响。
• 使用相同的因果性约束，评估在暴胀期间放大磁场的非传统磁化生成模型。
• 将分析扩展至略为开放和闭合的弗里德曼模型，确认该超绝热放大机制在不同空间曲率类型下的鲁棒性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在标准弗里德曼宇宙学中，超 horizon 尺度的磁场是否必然绝热衰减？该假设是否与因果性矛盾？
• RQ2 在暴胀和再加热期间的初始条件在多大程度上决定了大尺度磁场的暴胀后演化？
• RQ3 在不引入经典电动力学与标准宇宙学之外的新物理的前提下，原初磁场是否可能发生超绝热放大？
• RQ4 电流传导的因果性限制在多大程度上影响了理想磁流体动力学（MHD）近似在超 horizon 磁场中的有效性？
• RQ5 相同的因果性论证在多大程度上可约束或辅助非传统暴胀磁化生成情景？

主要发现

• 弗里德曼宇宙中的超 horizon 磁场并不一定绝热衰减；相反，它们遵循一种衰减速率慢于 $ a^{-2} $ 的幂律解。
• 若在再加热开始时的初始条件允许该缓慢衰减模态存活，则其可主导演化过程，从而实现超绝热放大。
• 对于约 10 kpc 的共动尺度，经过超绝热放大后残留的磁场强度可达到 $ \sim 10^{-33} $ G，远高于标准预测的 $ \sim 10^{-53} $ G。
• 该增强的磁场强度足以作为星系发电机的种子，并可在原星系坍缩过程中进一步放大。
• 该机制不仅适用于空间平坦模型，也适用于略为开放和闭合的弗里德曼宇宙，包括超曲率和亚曲率磁模态。
• 具有强放大效应的非传统暴胀磁化生成模型可能与 CMB 异质性观测冲突，而具有温和放大的模型则可行，且可能受到因果性约束的协助。