宇宙のインフレーション期における種磁場生成

宇宙膨胀期间种子磁场的产生

基本信息

批准号：
12J08160
负责人：
藤田智弘
金额：
$ 1.73万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2012
资助国家：
日本
起止时间：
2012-04-01 至 2015-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-12J08160/
关键词：
宇宙磁場インフレーション初期宇宙初期磁場

项目摘要

私の研究課題は「宇宙のインフレーション期における種磁場生成」である。現在の銀河・銀河団のみならず天体密度が非常に低いボイド空間にも微弱な磁場が存在することが観測的に確認されている。しかしその宇宙磁場の起源は天文学における長年の未解決問題であり、未だ有力な理論的仮説さえも提唱されていない状況にある。インフレーションにおいて宇宙磁場の種が生成されるシナリオは、観測されている大スケールの磁場を作る最も有力な候補の１つと考えられている。しかし、私の研究も含め、これまでの研究により、インフレーション期間中だけで観測を説明できるような十分な磁場を生成することは非常に難しいことがわかってきた。その最大の理由は、インフレーション中に強い電磁場が作られると、大スケールの密度揺らぎが必然的に生まれてしまい、CMB（宇宙背景放射）で観測された結果と矛盾してしまうためである。そこで近年になり、インフレーションでヘリカルな磁場を作る、という新しいアプローチが注目を集めている。ヘリカルな磁場とは、光の持つ２つの偏光のうち片方だけしか持たないような磁場である。ヘリカルな磁場はプラズマ中で、その相関長（磁場の典型的な長さスケール）が増幅するという特徴がある。従って、インフレーションでCMBにかからないような小さなスケールの磁場を作っておき、その後の発展で徐々に大きくすれば、観測と矛盾しないシナリオとなる。我々は、ヘリカルな磁場を作るシナリオとしてこれまで考えられたきたモデル（Axionと電磁場のφF*Fカップリング）に対して精密な調査を行い、これまで見落とされていた磁場増幅機構を発見した。このモデルでは今までインフレーション中の磁場生成と、リヒーティング後のプラズマによる増幅しか計算されてこなかったが、磁場生成はインフレーション終了直後に最大効率で起こることを発見した。

我的研究课题是“宇宙暴胀期间种子磁场的产生”。据观测观察，弱磁场不仅存在于当今的星系和星系团中，而且也存在于天体密度极低的虚空中。然而，宇宙磁场的起源仍然是天文学中长期未解决的问题，尚未提出强有力的理论假设。在膨胀过程中产生宇宙磁场种子的场景被认为是最有可能产生观测到的大规模磁场的候选场景之一。然而，之前的研究，包括我自己的研究，都表明产生足以解释暴胀期间观测结果的磁场是极其困难的。造成这种情况的最大原因是，当暴胀过程中产生强电磁场时，不可避免地会产生大规模的密度涨落，这与宇宙背景辐射（CMB）观测到的结果相矛盾。因此，近年来，一种利用暴涨创建螺旋磁场的新方法引起了人们的关注。螺旋磁场是其中仅存在光的两种偏振之一的磁场。螺旋磁场的特征在于其相关长度（磁场的典型长度尺度）在等离子体中被放大。因此，如果我们通过暴胀创造一个不干扰宇宙微波背景的小尺度磁场，然后通过后续的发展逐渐增加它，我们就可以创造出一个与观测结果一致的场景。我们对被认为是产生螺旋磁场（轴子与电磁场之间的φF*F耦合）的场景的模型进行了详细研究，发现了迄今为止被忽视的磁场放大机制。到目前为止，该模型仅计算了膨胀过程中的磁场产生以及再加热后等离子体的放大，但我们发现，在膨胀结束后，磁场的产生立即以最大效率发生。