Cosmic Recombination in the Presence of Primordial Magnetic Fields
Abstract: Primordial magnetic fields (PMFs) may explain observations of magnetic fields on extragalactic scales. They are most cleanly constrained by measurements of cosmic microwave background radiation (CMB) anisotropies. Their effects on cosmic recombination may even be at the heart of the resolution of the Hubble tension. We present the most detailed analysis of the effects of PMFs on cosmic recombination to date. To this end we extend the public magneto-hydrodynamic code {\sl ENZO} with a new cosmic recombination routine, Monte-Carlo simulations of Lyman-$\alpha$ photon transport, and a Compton drag term in the baryon momentum equation. The resulting code allows us, for the first time, to realistically predict the impact of PMFs on the cosmic ionization history and the clumping of baryons during cosmic recombination. Our results identify the importance of mixing of Lyman-$\alpha$ photons between overdense- and underdense- regions for small PMF strength. This mixing speeds up recombination beyond the speed-up due to clumping. We also investigate the effects of pecuilar flows on the recombination rate and find it to be small for small PMF strengths. For non-helical PMFs with a Batchelor spectrum we find a surprising dependency of results on ultra-violet magnetic modes. We further show that the increase in the ionization fraction at low redshift by hydrodynamic baryon heating due to PMF dissipation is completely compensated by the faster recombination from baryon clumping. The present study shall serve as a theoretical foundation for a future precise comparison of recombination with PMFs to CMB data.
- K. Subramanian, Rept. Prog. Phys. 79, 076901 (2016), arXiv:1504.02311 [astro-ph.CO] .
- A. Brandenburg and K. Subramanian, Phys. Rept. 417, 1 (2005), arXiv:astro-ph/0405052 .
- E. Carretti et al., Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 512, 945 (2022a), arXiv:2202.04607 [astro-ph.CO] .
- A. Neronov and I. Vovk, Science 328, 73 (2010), arXiv:1006.3504 [astro-ph.HE] .
- V. A. Acciari et al. (MAGIC), Astron. Astrophys. 670, A145 (2023), arXiv:2210.03321 [astro-ph.HE] .
- F. Aharonian et al. (H.E.S.S., Fermi-LAT), Astrophys. J. Lett. 950, L16 (2023), arXiv:2306.05132 [astro-ph.HE] .
- R. Durrer and A. Neronov, Astron. Astrophys. Rev. 21, 62 (2013), arXiv:1303.7121 [astro-ph.CO] .
- T. Vachaspati, Rept. Prog. Phys. 84, 074901 (2021), arXiv:2010.10525 [astro-ph.CO] .
- R. Banerjee and K. Jedamzik, Phys. Rev. D 70, 123003 (2004), arXiv:astro-ph/0410032 .
- J. Reppin and R. Banerjee, Phys. Rev. E 96, 053105 (2017), arXiv:1708.07717 [astro-ph.CO] .
- D. N. Hosking and A. A. Schekochihin, Phys. Rev. X 11, 041005 (2021), arXiv:2012.01393 [physics.flu-dyn] .
- D. N. Hosking and A. A. Schekochihin,  (2022), arXiv:2203.03573 [astro-ph.CO] .
- R. Durrer and C. Caprini, JCAP 11, 010 (2003), arXiv:astro-ph/0305059 .
- A. Zizzo and C. Burigana, New Astron. 11, 1 (2005), arXiv:astro-ph/0505259 [astro-ph] .
- K. E. Kunze and E. Komatsu, JCAP 1401, 009 (2014), arXiv:1309.7994 [astro-ph.CO] .
- K. Subramanian and J. D. Barrow, Phys. Rev. Lett. 81, 3575 (1998), arXiv:astro-ph/9803261 [astro-ph] .
- K. Subramanian and J. D. Barrow, Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 335, L57 (2002), arXiv:astro-ph/0205312 [astro-ph] .
- A. Lewis, Phys. Rev. D70, 043518 (2004a), arXiv:astro-ph/0403583 [astro-ph] .
- T. Kahniashvili and B. Ratra, Phys. Rev. D71, 103006 (2005), arXiv:astro-ph/0503709 [astro-ph] .
- A. Lewis, Phys. Rev. D70, 043011 (2004b), arXiv:astro-ph/0406096 [astro-ph] .
- M. Giovannini, Class. Quant. Grav. 23, 4991 (2006), arXiv:astro-ph/0604134 [astro-ph] .
- T. Kahniashvili and B. Ratra, Phys. Rev. D75, 023002 (2007), arXiv:astro-ph/0611247 [astro-ph] .
- M. Giovannini and K. E. Kunze, Phys. Rev. D77, 063003 (2008), arXiv:0712.3483 [astro-ph] .
- D. Paoletti and F. Finelli, Phys. Rev. D83, 123533 (2011), arXiv:1005.0148 [astro-ph.CO] .
- J. R. Shaw and A. Lewis, Phys. Rev. D86, 043510 (2012), arXiv:1006.4242 [astro-ph.CO] .
- K. E. Kunze, Phys. Rev. D83, 023006 (2011), arXiv:1007.3163 [astro-ph.CO] .
- D. Paoletti and F. Finelli, Phys. Lett. B726, 45 (2013), arXiv:1208.2625 [astro-ph.CO] .
- P. A. R. Ade et al. (Planck), Astron. Astrophys. 594, A19 (2016a), arXiv:1502.01594 [astro-ph.CO] .
- S. K. Sethi and K. Subramanian, Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 356, 778 (2005), arXiv:astro-ph/0405413 .
- K. E. Kunze and E. Komatsu, JCAP 06, 027 (2015), arXiv:1501.00142 [astro-ph.CO] .
- J. Ganc and M. S. Sloth, JCAP 1408, 018 (2014), arXiv:1404.5957 [astro-ph.CO] .
- T. R. Seshadri and K. Subramanian, Phys. Rev. Lett. 87, 101301 (2001), arXiv:astro-ph/0012056 [astro-ph] .
- L. Pogosian and A. Zucca,  (2018), arXiv:1801.08936 [astro-ph.CO] .
- I. Brown and R. Crittenden, Phys. Rev. D72, 063002 (2005), arXiv:astro-ph/0506570 [astro-ph] .
- T. R. Seshadri and K. Subramanian, Phys. Rev. Lett. 103, 081303 (2009), arXiv:0902.4066 [astro-ph.CO] .
- I. A. Brown, Astrophys. J. 733, 83 (2011), arXiv:1012.2892 [astro-ph.CO] .
- M. Shiraishi and T. Sekiguchi, Phys. Rev. D90, 103002 (2014), arXiv:1304.7277 [astro-ph.CO] .
- R. Banerjee and K. Jedamzik, Phys. Rev. Lett. 91, 251301 (2003), [Erratum: Phys.Rev.Lett. 93, 179901 (2004)], arXiv:astro-ph/0306211 .
- K. Jedamzik and T. Abel,  (2011), arXiv:1108.2517 [astro-ph.CO] .
- K. Jedamzik and T. Abel, JCAP 1310, 050 (2013), arXiv:1108.2517 [astro-ph.CO] .
- K. Jedamzik and A. Saveliev, Phys. Rev. Lett. 123, 021301 (2019), arXiv:1804.06115 [astro-ph.CO] .
- P. Peebles, Principles of Physical Cosmology (Princtoon University Press, Princeton, 1967).
- K. Jedamzik and L. Pogosian, Phys. Rev. Lett. 125, 181302 (2020), arXiv:2004.09487 [astro-ph.CO] .
- K. Jedamzik and L. Pogosian,  (2023), arXiv:2307.05475 [astro-ph.CO] .
- E. Abdalla et al., JHEAp 34, 49 (2022), arXiv:2203.06142 [astro-ph.CO] .
- P. Ralegankar, Phys. Rev. Lett. 131, 231002 (2023), arXiv:2303.11861 [astro-ph.CO] .
- G. L. Bryan et al. (ENZO), Astrophys. J. Suppl. 211, 19 (2014), arXiv:1307.2265 [astro-ph.IM] .
- P. Wang and T. Abel, Astrophys. J. 696, 96 (2009), arXiv:0712.0872 [astro-ph] .
- J. Chluba and R. M. Thomas, Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 412, 748 (2011), arXiv:1010.3631 [astro-ph.CO] .
- Y. Ali-Haimoud and C. M. Hirata, Phys. Rev. D 83, 043513 (2011), arXiv:1011.3758 [astro-ph.CO] .
- N. Lee and Y. Ali-Haïmoud, Phys. Rev. D 102, 083517 (2020), arXiv:2007.14114 [astro-ph.CO] .
- P. J. E. Peebles, Astrophys. J. 153, 1 (1968).
- T. Venumadhav and C. Hirata, Phys. Rev. D 91, 123009 (2015), arXiv:1409.1240 [astro-ph.CO] .
- N. Lee and Y. Ali-Haïmoud, Phys. Rev. D 104, 103509 (2021), arXiv:2108.07798 [astro-ph.CO] .
- P. A. R. Ade et al. (Planck), Astron. Astrophys. 594, A19 (2016b), arXiv:1502.01594 [astro-ph.CO] .
- M. Dijkstra,  (2017), arXiv:1704.03416 [astro-ph.GA] .
Paper Prompts
Sign up for free to create and run prompts on this paper using GPT-5.
Top Community Prompts
Collections
Sign up for free to add this paper to one or more collections.