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Tese de Doutorado
Documento
Autor
Nome completo
Rafael da Silva de Souza
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Paulo, 2009
Orientador
Banca examinadora
Opher, Reuven (Presidente)
Gonçalves, Diego Antonio Falceta
Pereira, Vera Jatenco Silva
Pino, Elisabete Maria de Gouveia Dal
Waga, Ioav
Título em português
Origem e evolução dos campos magnéticos cosmológicos
Palavras-chave em português
Aglomerados de Galáxias
Campos Magnéticos
Cosmologia
Plasmas
Turbulência
Resumo em português
Campos magnéticos de intensidade $\sim \mu$G são observados tanto em nossa galáxia, quanto em galáxias com alto desvio para o vermelho (\emph{z}), onde o dínamo $\alpha-\Omega$ não deveria ter tempo para produzi-lo. Por conseguinte, uma origem primordial é indicada. Foi proposto que os campos primordiais surgiram em várias eras: durante a inflação, na transição de fase eletrofraca, na transição de fase quark hádron (TFQH), durante a formação dos primeiros objetos e durante a reionização. Nós sugerimos aqui, que estes campos magnéticos observados em galáxias através de medidas de rotação Faraday, têm sua origem em flutuações eletromagnéticas que naturalmente ocorreram no plasma quente e denso, existente logo após a TFQH. Nós evoluímos os campos previstos por nosso modelo até a época atual. O tamanho da região de coerência do campo magnético aumenta devido à fusão de regiões menores. Campos magnéticos de $\sim 10 \mu$G sobre regiões comóveis de $\sim 1$ pc foram encontrados para \emph{z} $\sim 10$. Investigamos a amplificação destes campos sementes pelo dínamo turbulento em protogaláxias. A taxa de amplificação devido à um vórtice turbulento de raio $L$ com velocidade circular $V$ é da ordem de $V/L$. Enquanto o modelo padrão de dínamo tem um tempo de amplificação para um disco galáctico típico de $\sim 10^{9}$ anos, o dínamo turbulento de pequena escala tem uma taxa de amplificação de $\sim 10^{7}$ anos. Usamos as equações não-lineares para evolução da correlação magnética de forma a avaliar a evolução da amplificação destes campos na protogaláxia. Vários autores sugeriram uma origem gravitacional para os campos magnéticos em objetos celestes em rotação. Isto foi motivado em parte pela conjectura Schuster-Blackett (S-B), onde se propõe que os campos magnéticos em planetas e estrelas surgem devido à sua rotação. Neste cenário, correntes de massa neutra geram campos magnéticos, implicando na existência de um acoplamento entre os campos gravitacional e magnético. Nós também investigamos a possibilidade da conjectura S-B ser a origem dos intensos campos magnéticos em magnetares e \emph{gamma ray bursts}. Além disso, estudamos a influência da pressões não térmicas, na determinação da massa de aglomerados de galáxias, usando dados públicos do XMM-Newton para 5 aglomerados de Abell. A pressão não térmica considerada aqui, é composta pelas componentes magnética e turbulenta. Nós consideramos estas duas componentes na equação do equilíbrio hidrostático e comparamos as estimativas de massa total, com os valores obtidos sem estas componentes.
Título em inglês
The Origin and Evolution of Cosmic Magnetic Fields
Palavras-chave em inglês
Cosmology
Galaxy Clusters
Magnetic Fields
Plasmas
Turbulence
Resumo em inglês
Magnetic fields of intensities $\sim \mu$G are observed both in our galaxy and in high redshift (\emph{z}) galaxies, where a mean field dynamo would not had time to produce them. Therefore, a primordial origin is indicated. It has been suggested that magnetic fields were created at various primordial eras: during inflation, the electroweak phase transition, the quark-hadron phase transition (QHPT), during the formation of the first objects, and during reionization. We suggest here that the magnetic fields observed in galaxies by Faraday Rotation Measurements (FRMs), have their origin in the electromagnetic fluctuations that naturally occurred in the dense hot plasma that existed just after the QHPT. We evolve the predicted fields to the present time. The size of the region containing a coherent magnetic field increased due to the fusion of smaller regions. Magnetic fields (MFs) $\sim 10 \mu$G over a comoving $\sim 1$ pc region are predicted at redshift \emph{z} $\sim 10$. The amplification of these seed fields by the turbulent dynamo in a protogalaxy is here investigated. The e-fold amplification time by a turbulent eddy of radius $L$ with a circular velocity $V$ is on the order of $L/V$. Whereas the standard dynamo for a typical disk galaxy has an e-fold amplification time $\sim 10^{9}$ years, the small scale turbulent dynamo has an e-fold time $\sim 10^{7}$ years. We use the non-linear evolution equations for the magnetic correlations in order to analyze the amplifications of these fields in protogalaxies. Various authors have suggested a gravitational origin of the magnetic fields in rotating celestial bodies. It has been motivated, in part, by the Schuster-Blackett (S-B) conjecture, which suggests that the magnetic fields in planets and stars arise due to their rotation. In this scenario, neutral mass currents generate magnetic fields, implying the existence of a coupling between gravitational and electromagnetic fields. In this work, we investigate the possibility that the S-B conjecture is the origin of the intense magnetic fields near rotating compact objects, in particular connected with magnetars and gamma ray bursts. We also studied the influence of non-thermal pressure on the cluster mass determination using public XMM-Newton archival data for 5 Abell clusters. The non-thermal pressure considered here, is composed of the magnetic and the turbulent components. We also take into account these two non-thermal components in the hydrostatic equilibrium equation, and we compare the total mass estimated with the values obtained without assuming them.
 
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doutoradorafael.pdf (1.61 Mbytes)
Data de Publicação
2009-10-30
 
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  • DE SOUZA, Rafael S., and OPHER, Reuven. Origin of intense magnetic fields near black holes due to non-minimal gravitational–electromagnetic coupling [doi:10.1016/j.physletb.2011.10.045]. Physics Letters B [online], 2011, vol. 705, n. 4, p. 292-293.
  • DE SOUZA, Rafael S., and OPHER, Reuven. Origin of magnetic fields in galaxies [doi:10.1103/PhysRevD.81.067301]. Physical Review D [online], 2010, vol. 81, n. 6.
  • DE SOUZA, Rafael S., RODRIGUES, Luiz Felippe S., and OPHER, Reuven. Random primordial magnetic fields and the gas content of dark matter haloes : RPMF and the gas content of DM haloes [doi:10.1111/j.1365-2966.2010.17588.x]. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society [online], 2011, vol. 410, n. 4, p. 2149-2155.
  • DE SOUZA, Rafael, and OPHER, Reuven. Origin of primordial magnetic fields [doi:10.1103/PhysRevD.77.043529]. Physical Review D [online], 2008, vol. 77, n. 4.
  • LAGANá, T. F., DE SOUZA, R. S., and KELLER, G. R.. On the influence of non-thermal pressure on the mass determination of galaxy clusters [doi:10.1051/0004-6361/200911855]. Astronomy and Astrophysics [online], 2010, vol. 510, p. A76.
  • RODRIGUES, Luiz Felippe S., DE SOUZA, Rafael S., and OPHER, Reuven. Suppression of small baryonic structures due to a primordial magnetic field : Suppression of small baryonic structures [doi:10.1111/j.1365-2966.2010.16677.x]. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society [online], 2010, vol. 406, n. 1, p. 482-485.
  • SOUZA, Rafael S. de, and OPHER, Reuven. Origin of 10 [doi:10.1088/1475-7516/2010/02/022]. Journal of Cosmology and Astroparticle Physics [online], 2010, vol. 2010, n. 2, p. 022.
  • SOUZA, Rafael S., and OPHER, Reuven. Are the magnetic fields of millisecond pulsars ∼108 G? [doi:10.1007/s10509-010-0411-1]. Astrophysics and Space Science [online], 2010, vol. 330, n. 2, p. 267-271.
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