Adam Dybulla, Dissertation, Fachbereich Physik der Universität Hamburg, 2017 :

"Magnetfelder im frühen Universum - Verstärkung und Entwicklung"


"Magnetic fields in the early universe - amplification and evolution"



Summary

Kurzfassung

In dieser Dissertation werden die Verstärkung und die Entwicklung von magnetischen Saatfeldern behandelt, wobei (nichtlineare) Interaktionen zwischen den Fluktuationen des kosmischen Fluids und der magnetischen Moden betrachtet werden. Hierbei werden drei Fälle mit Hilfe von dreidimensionalen numerischen magnetohydrodynamischen Simulationen bei frei zerfallender Turbulenz untersucht. Im Falle von nicht-helischen Magnetfeldern kristallisiert sich ein steiler Anstieg im Magnetfeldspektrum auf großen Skalen, sowie eine sich von kleinen bis zu den großen Skalen hin erstreckende Äquipartition zwischen der kinetischen und magnetischen Energie heraus. Der helische Fall bestätigt eine inverse Kaskade, die zu einer längeren Entwicklung und verglichen mit dem nicht-helischen Fall zu einer größeren Magnetfeldverstärkung führt. Des Weiteren werden Gesetzmäßigkeiten für das Energiespektrum des Magnetfeldes im Falle eines nichtlinearen kleinskaligen Dynamos erhalten und gezeigt, dass das Anwachsen der magnetischen Energie von der Art der Turbulenz und von der Machzahl, sowie von den anfänglich generierten Moden abhängt.

Titel

Kurzfassung

Summary

Within this dissertation, I study the amplification and evolution of magnetic seed fields. I consider (nonlinear) interactions between fluctuations of the cosmic fluid and the magnetic modes. I verify the criteria for these mechanisms with three-dimensional numerical simulations applying the full MHD equations. This is done with a detailed analysis of free decaying turbulence. Non-helical magnetic fields show a large-scale tail in the magnetic power spectrum and an equipartition between the magnetic and kinetic energy from small scales up to large scales. Due to an inverse cascade, the helical case indicates a longer evolution over time and compared with the non-helical case a higher amplification of the magnetic field on larger scales. Furthermore, I analyse the small-scale dynamo in a non-linear regime, and show that the resulting power-law growth depends on the type of turbulence, on the Mach number, and on the initially chosen Fourier fluctuations.