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Titel: Signatures of Primordial Magnetic Fields from Phase Transitions
Sonstige Titel: Signaturen primordialer Magnetfelder von Phasenübergängen
Sprache: Englisch
Autor*in: Niksa, Peter
Schlagwörter: Kosmologische Magnetfelder; Kosmologische Phasenübergänge; cosmological magnetic fields; cosmological phase transitions
GND-Schlagwörter: Gravitationswelle; Kosmologie; Magnetohydrodynamik; Turbulenz / Plasma
Erscheinungsdatum: 2019
Tag der mündlichen Prüfung: 2019-12-10
Zusammenfassung: 
We study the evolution of causally generated magnetic fields, by a cosmological first order phase transition, in the radiation dominated phase and essentially towards the present day. Additionally, we study the gravitational wave signal associated with primordial MHD turbulence. An electroweak first order phase transition is of particular interest as it could resolve the baryogenesis problem, may be driven by dark matter and can act seed sufficient primordial magnetic fields that may act as a source of the present day galactic and intergalactic magnetic fields.
Specifically, we investigate the gravitational wave (GW) spectrum sourced by magnetohydrodynamic (MHD) turbulence, during and after a phase transition, based on MHD scaling solutions. Therein we improve earlier estimates of the GW spectrum by adjusting the choice of the rate of decorrelation of turbulent fluctuations in a meaningful manner. This leads to an overall steeper high-frequency tail, compared to previous studies, in the GW spectrum and a severe reduction of the GW power spectrum
by up to several orders of magnitudes depending on the basic properties of the turbulence with an f3 low frequency tail and an f−8/3 to f−5/3 high frequency scaling, where the latter case appears in very strong phase transitions. Moreover, we show that a near maximal magnetic helicity, an alignment of the electromagnetic vector potential with the magnetic field, leads to a shallower f2 low frequency tail. Furthermore, we investigate the impact of vorticity and magnetic fields on the gravitational wave
spectrum produced by acoustic waves and find a significant reduction of the expected signal e.g. by an order of magnitude depending on the precise properties of the turbulence.
Next, we study the evolution of MHD turbulence primarily in the context of the eddy-damped quasi-normal Markovian (EDQNM) approximation and develop a code to solve the resulting equation in the incompressible limit. Of key interest to us are MHD cross correlations i.e. alignments between the magnetic field and velocity (cross helicity) or vorticity (cross scalar) and the kinetic helicity (alignment of velocity and vorticity), as these have received barely any attention in this context. In incompressible MHD turbulence we find that none of these three quantities leads to a lasting effect on the modern-day MHD spectrum. Nonetheless, the cross helicity can affect the evolution prior to neutrino decoupling, as it leads to a freeze-out of turbulence. Moreover, for compressible turbulence we anticipate and expect that cross helicity may even have a lasting influence on a potentially observable magnetic field and associated GW spectrum today. Lastly, even though kinetic helicity does not lead to an overall change in the evolution we find that it can produce a substantial magnetic helicity spectrum with a net zero total or integrated magnetic helicity, that never leads to an inverse cascade in contrast to MHD turbulence with a significant net total magnetic helicity.

Wir untersuchen die Entwicklung kausal erzeugter Magnetfelder, die während und nach einem kosmologischen Phasenübergang erster Ordnung erzeugt wurden, in der strahlungsdominierten Phase des Universums. Zusätzlich untersuchen wir das Gravitationswellensignal, das durch magnetohydrodynamische (MHD) Turbulenz generiert würde. Der Hauptfokus ist dabei ein elektroschwacher Phasenübergang
erster Ordnung, da er das Problem der Baryogenese lösen könnte, von dunkler Materie ausgelöst sein könnte und primordiale Magnetfelder erzeugen kann, die als Quelle für die heutigen galaktischen und intergalaktischen Magnetfelder dienen können.
Bei der Untersuchung des von MHD Turbulenz generierten Gravitationswellen (GW) Spektrum verbessern wir frühere Schätzungen des GW Spektrums, indem wir die Wahl der Dekorrelationsrate turbulenter Fluktuationen sinnvoll anpassen. Dabei finden wir, dass das GW Spektrum einen steileren Hochfrequenz-"Schwanz" hat als vorher vermutet und die Amplitude des Spektrums insgesamt um bis zu mehrere Größenordnungen reduziert wird. Insgesamt finden wir, dass das Spektrum einen f3
Niederfrequenz-"Schwanz" und einen f−8/3 bis f−5/3 Hochfrequenz-"Schwanz" hat, wobei letzterer Fall nur bei sehr starken Phasenübergängen auftritt. Darüber hinaus zeigen wir, dass eine Ausrichtung des elektromagnetischen Vektorpotenzials mit dem Magnetfeld bei nahezu maximaler magnetischer Helizität zu einem flacheren niederfrequenten Heck mit f2 führt. Weiterhin untersuchen wir den Einfluss von Wirbeln und Magnetfeldern auf das Gravitationswellenspektrum, welches von Schallwellen erzeugt wird, und stellen fest, dass jenes Signal ebenfalls teilweise stark reduziert wird, beispielsweise um eine Größenordnung.
Zusätzlich untersuchen wir die Entwicklung der MHD Turbulenz unter Anwendung der Eddy-Damped Quasi-Normal Markovian (EDQNM) Näherung und entwickeln einen Code zur Lösung der resultierenden Gleichungen für den Grenzfall eines inkompressiblen Plasmas. Von besonderem Interesse sind für uns MHD Kreuzkorrelationen, also relative Ausrichtungen zwischen Magnet- und Geschwindigkeits- (Kreuz-Helizität) bzw. dem Wirbelfeld (Kreuzskalar) und kinetischer Helizität (Ausrichtung von Geschwindigkeit- und Wirbelfeld), da diese in diesem Zusammenhang kaum studiert wurden. Im Rahmen der inkompressiblen MHD Turbulenz stellen wir fest, dass keine dieser drei Größen einen nachhaltigen Einfluss auf das heutige verbliebene primordiale MHD-Spektrums hat. Dennoch kann
die Kreuzhelizität die Evolution vor der Neutrino-Entkopplung beeinflussen, da sie in dieser Phase zu einem Einfrieren der Turbulenz führen kann. Darüber hinaus argumentieren wir, dass die Kreuzhelizität im Rahmen kompressibler MHD Turbulenz sogar einen nachhaltigen Einfluss auf ein möglicherweise beobachtbares Magnetfeld und das damit verbundene GW Spektrum haben kann.
URL: https://ediss.sub.uni-hamburg.de/handle/ediss/6129
URN: urn:nbn:de:gbv:18-101920
Dokumenttyp: Dissertation
Betreuer*in: Sigl, Günter (Prof. Dr.)
Enthalten in den Sammlungen:Elektronische Dissertationen und Habilitationen

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