Primordial Magnetic Fields: Evolution and Signatures
von Salome Mtchedlidze
Datum der mündl. Prüfung:2023-07-05
Erschienen:2024-05-21
Betreuer:Prof. Dr. Jens Niemeyer
Gutachter:Prof. Dr. Michael Maziashvili
Gutachter:Prof. Dr. Ansgar Reiners
Gutachter:Prof. Dr Axel Brandenburg
Gutachter:Prof. Dr. Stefan Dreizler
Gutachter:Prof. Dr. Tina Kahniashvili
Zum Verlinken/Zitieren:
http://dx.doi.org/10.53846/goediss-10437
Dateien
Name:PMFs_Thesis_rev05_UGOEtitle.pdf
Size:23.8Mb
Format:PDF
Description:Thesis (without CV)
Lizenzbestimmungen:
Zusammenfassung
Englisch
Magnetic fields permeate our Universe on all cosmic scales: from planets and stars to the large-scale fields found in galaxies and galaxy clusters. Different observational methods, such as the ones using the Faraday rotation effect as well as the diffuse radio emission (detected in the form of radio halos and radio relics), infer a field strength of the order of microGauss and coherence scales reaching a few tens of kpc in galaxy clusters. It is commonly assumed that the observed fields today are originated from either astrophysical or cosmological (primordial) magnetic seeds. The observations of blazar spectra by the Fermi Gamma Ray Observatory provide an intriguing possibility of detecting very weak magnetic fields in cosmic voids. This poses an exciting avenue for studying the generation mechanisms and evolution of observed large-scale-correlated magnetic fields. Notably, blazar spectra observations favour primordial magnetogenesis. In the primor- dial scenario, magnetic fields originating in the early Universe, i.e., Primordial Magnetic Fields (PMFs) can have volume filling fractions close to unity and thus, are good candidates for explaining the possible magnetisation of cosmic voids. Primordial magnetogenesis has gained a lot of attention in the last decades as a potential probe of physics beyond the Standard Model. In our research, we combined our cur- rent understanding of the generation scenarios and pre-recombination evolution of PMFs with state-of-the-art magnetohydrodynamic (MHD) cosmological simulations to study their evolution during structure formation. Our brand new approach aims at reconstructing a whole picture of the evolution of inflation- and phase-transition-generated PMFs from the very early Universe till the current epoch. Our simulations reveal the distinctive amplification nature of initially small-scale, phase-transitional and large-scale, inflation- ary fields during the formation of massive structures. Our studies argue in favour of distinguishing between different primordial magnetogenesis scenarios on galaxy-cluster as well as on filaments and cosmic voids’ scales. Current and future radio and gamma-ray astronomy are promising for constraining the magnetogenesis scenarios assuming we have a comprehensive study of PMFs that projects their evolution history into the present-day observational signatures. The ob- servational imprints of PMFs found in the research works of this thesis are relevant for the forthcoming large surveys, such as the ones with the Square Kilometre Array (SKA) and Cherenkov Telescope Array (CTA, in tandem with the Fermi Gamma-ray space tele- scope). The results of our research program will have implications for many areas of research, including the early Universe physics, high-energy astrophysics, MHD cosmological simulations, and large-scale structure formation.
Keywords: Magnetohydrodynamical cosmological simulations; Primordial magnetic fields; Large-scale structure of the universe; Intergalactic medium; Intracluster medium
Weitere Sprachen
მაგნიტური ველები განჭოლავენ სამყაროს სხვადასხვა მასშტაბებზე; ისინი დაიკვირვება როგორც “პატარა”, ვარსკვლავებისა და პლანეტების ასევე კოსმოლოგიურ, გალაქტიკებისა და გალაქტიკური კლასტერების მასშტაბებზეც. სხვადასხვა დაკვირვებითი მეთოდები (მაგ., რომლებიც იყენებენ ფარადეის ბრუნვის ეფექტს ან/და დიფუზურ რადიო გამოსხივებას გალაქტიკური კლასტერების მასშტა- ბებზე) აჩვენებენ, რომ მაგნიტური ველების სიდიდე მიკროგაუსის რიგისაა და მათი კორელაციური სიგრძე აღწევს ათეულ კილოპარსექს გალაქტიკურ კლასტერებში.
ითვლება რომ ასეთი დიდმასტაბოვანი (ე.ი., კოსმოლოგიურ მასშტაბებში არსებული) მაგნიტური ველები წარმოიქმნა სუსტი, ჩანასახოვანი მაგნიტური ველების (“seed magnetic fields”) გაძლიერების შედეგად. ეს ჩანასახოვანი ველები კი შეიძლება დაგენერირებულიყო ასტროფიზიკური ან კოს- მოლოგიური (იგივე “პირველადი”, “primordial”) გენერაციის მექანიზმით და შემდგომ უნდა გაძლიე- რებულიყო დიდმასშტაბოვანი სტრუქტურის ფორმირებისას (რათა მიეღწია დაკვირვებად, მიკროგა- უსის სიდიდისთვის მაგ. გალაქტიკურ კლასტერებში). ბლაზარების სპექტრების ბოლოდროინდელი დაკვირვებები თავსებადია არანულოვან მაგნიტური ველების არსებობასთან კოსმოსურ სიცარიელეებში (cosmic voids). ეს კი თავის მხრივ ინტერესს აღრმავებს მაგნიტური ველების წარმოშობის და ევოლუციის საკითხთან დაკავშირებით; კერძოდ, შესაძლებელია რომ მაგნიტური ველები დაგენერი- რებულიყო ლოკალურად, პირველი სტრუქტურების (ე.ი., პირველი ვარსკვლავები, გალაქტიკები, ა.შ.) წარმოშობისას პატარა მასშტაბებში (ასტროფიზიკური მექანიზმი) და შემდგომ “გადატანილიყო” ასეთ დიდ მასშტაბებზე? თუ მოსალოდნელია რომ მაგნიტური ველები არსებობდა ადრეულ სამყაროშივე (გენერაციის კოსმოლოგიური მექანიზმი) და შემდგომ ევოლუცირებდნენ სამყაროს ევოლუციასთან ერთად? ბლაზარების სპექტრის დაკვირვებები თანხმობაშია პირველადი მაგნიტური ველების არსებობასთან, ე.ი., ველებისა რომლებიც დაგენერირდა ადრეულ სამყაროში და რომელთაც პირველად მაგნიტურ ველებსაც უწოდებენ (primordial magnetic fields).
პირველადი მაგნიტური ველების კვლევა საინტერესოა იმ მხრივაც რომ ასეთი კვლევები შესაძ- ლოა დაგვეხმაროს სტანდარტული კოსმოლოგიური მოდელის მიღმა არსებული თეორიების შემოწმე- ბაში. თეზისში წარმოდგენილ კვლევებში შევისწავლეთ პირველადი მაგნიტური ველების ევოლუცია სამყაროს დიდმასშტაბოვანი სტრუქტურის ფორმირებისას კოსმოლოგიური, მაგნეტოჰიდროდინამი- კური (მჰდ) კოდის ENZO-ს გამოყენებით. ჩვენს შრომაში ასევე გავითვალისწინეთ მაგნიტური ველე- ბის ევოლუცია რეკომბინაციამდელ ეპოქაში (ე.ი., მათი ევოლუცია მჰდ ტურბულენტურ რეჟიმში). ამ მეთოდის მიზანია პირველადი მაგნიტური ველების ევოლუციის სრული სურათის დანახვა ძალიან ადრეული სამყაროდან დღემდე. ჩვენ შევისწავლეთ ისეთი პირველადი მაგნიტური ველები, რომლებიც შეიძლება დაგენერირებულიყო ინფლაციის ან ფაზური გადასვლების ეპოქაში. ჩვენმა სიმულაციებმა აჩვენა, რომ მაგნიტური ველები ევოლუცირებენ განსხვავებულად იმის მიხედვით თუ როგორია მათი საწყისი სტრუქტურა (განაწილება) დიდ მასშტაბებში. კერძოდ, თუ ველები ინფლაციურია და გააჩნიათ დიდი კორელაციური სიგრძეები მაშინ მათი გაძლიერება სტრუქტურის ფორმირებისას უფრო ეფექტურად ხდება იმ ველებთან შედარებით რომელთა კორელაციური სიგრძეები გალაქტიკური კლასტერების მასშტაბის რიგისაა.
მიმდინარე და მომავალი დაკვირვებები საშუალებას მოგვცემს შევადაროთ ჩვენი თეორიული შედეგები დაკვირვებებს და ვეძებოთ პირველადი მაგნიტური ველების გენერაციის კვალი დღევანდელი მაგნიტური ველების განაწილებაში. თეზისში წარმოდგენილი შედეგები მნიშვნელოვანია სწორედ ამ მხრივ, ე.ი., პირველადი მაგნიტური ველების დაკვირვებითი ანაბეჭდების შესასწავლად მაგალითად ბლაზარების სპექტრზე (მომავალი Cherenkov Telescope Array-ს (CTA) მონაცემების გამოყენებით) და გალაქტიკური კლასტერების ფარადეის ბრუნვის მონაცემებზე (Square Kilometre Array (SKA)-ს დაკვირვებების გამოყენებით).
