Andrey Saveliev, Dissertation, Fachbereich Physik der Universität Hamburg, 2014 :

"Zeitliche Entwicklung der Primordialen Magnetfelder und der gegenwärtige extragalaktische Magnetismus"


"Time Evolution of Primordial Magnetic Fields and Present Day Extragalactic Magnetism"



Schlagwörter: backreaction, blazars, Early Universe, electromagnetic cascades, extragalactic magnetic fields, gamma rays, Intergalactic Medium, Inverse Cascade, magnetic helicity, plasma instabilities, power spectrum, Primordial Magnetic Fields
PACS : 95.30.Cq, 95.30.Qd, 98.54.Cm, 98.62.En, 98.80.Cq
Volltext

Summary

Kurzfassung

Das Thema der vorliegenden Dissertation ist die zeitliche Entwicklung der Primordialen Magnetfelder, die im Frühen Universum entstanden sind. Unter der Annahme, dass dieses sogenannte Kosmologische Szenario der Magnetogenese zutrifft, wird im Folgenden gezeigt, dass sie die heutigen Extragalaktischen Magnetfelder erklären können. Dies ist insbesondere wichtig angesichts der jüngsten Beobachtungen von Gammastrahlung, die dazu verwendet werden, eine untere Grenze für die zugehörigen Magnetfeldstärke herzuleiten, auch wenn ein alternativer Ansatz, welcher diese Beobachtungen stattdessen auf Wechselwirkungen mit dem Intergalaktischen Medium zurückführt, möglich ist und hier mithilfe von Monte Carlo Simulationen überprüft wird. Um die oben genannte Entwicklung der Primordialen Magnetfelder zu beschreiben, wird ein Satz Master-Gleichungen für die spektralen magnetischen, kinetischen und helischen Komponenten des Systems hergeleitet und dann numerisch für das Frühe Universum gelöst. Diese semianalytische Methode erlaubt es, eine vollständige quantitative Untersuchung der zeitlichen Entwicklung der Leistungsspektren durchzuführen, insbesondere da die Rückreaktion des turbulenten Mediums auf die Magnetfelder berücksichtigt wird. Durch Anwendung dieses Formalismus auf nichthelische Primordiale Magnetfelder, die auf einer charakteristischen Länge erzeugt wurden, wird im Folgenden gezeigt, dass ihr Spektrum auf großen Längenskalen $L$ eine Flanke aufbaut, die sich wie $B \sim L^{-\frac{5}{2}}$ verhält und die Entwicklung der Kohärenz-$($oder Integral-$)$Skala bestimmt. Außerdem wird nachgewiesen, dass die Behauptung einer Äquipartition zwischen der magnetischen und der kinetischen Energie wahr ist. Erweitert man diese Analyse auf helische Magnetfelder, so findet man, dass sich die zeitliche Entwicklung dramatisch ändert, was quantitativ bestätigt, dass eine Inverse Kaskade, d.h. ein effizienter Transport von Energie von kleinen zu großen Skalen, tatsächlich stattfindet, so wie es in früheren Arbeiten vorhergesagt wurde.

Titel

Kurzfassung

Summary

The topic of the present thesis is the time evolution of Primordial Magnetic Fields which have been generated in the Early Universe. Assuming this so-called Cosmological Scenario of magnetogenesis to be true, it is shown in the following that this would account for the present day Extragalactic Magnetic Fields. This is particularly important in light of recent gamma ray observations which are used to derive a lower limit for the corresponding magnetic field strength, even though also an alternative approach, claiming instead that these observations are due to interactions with the Intergalactic Medium, is possible and will be tested here with Monte Carlo simulations. In order to describe the aforementioned evolution of Primordial Magnetic Fields, a set of general Master Equations for the spectral magnetic, kinetic and helical components of the system are derived and then solved numerically for the Early Universe. This semi-analytical method allows it to perform a full quantitative study for the time development of the power spectra, in particular by fully taking into account the backreaction of the turbulent medium onto the magnetic fields. Applying the formalism to non-helical Primordial Magnetic Fields created on some characteristic length measure, it will be shown that on large scales $L$ their spectrum builds up a slope which behaves as $B\sim L^{-\frac{5}{2}}$ and governs the evolution of the coherence $($or integral$)$ scale. In addition, the claim of equipartition between the magnetic and the kinetic energy is found to be true. Extending the analysis to helical magnetic fields, it is observed that the time evolution changes dramatically, hence confirming quantitatively that an Inverse Cascade, i.e. an efficient transport of energy from small to large scales, as predicted in previous works, indeed does take place.