Dispersive properties of kinetic Alfvén waves in the presence of heavy ions and general relativistic generation of magnetic fields in astrophysical and space plasmas

Abstract

We investigate the propagation of Alfvénic waves using linear kinetic theory, analysing the effects of plasma composition, finite temperature, and nonthermal velocity distributions. Our results demonstrate that both plasma temperature and the presence of heavy ions significantly alter wave polarisation properties, enabling the kinetic Alfvén wave to propagate at smaller wavenormal angles than in a cold electron-proton plasma. Using quasilinear theory and test particle simulations, we show that ion cyclotron waves modify the velocity distribution functions of heavy ions, with the resulting distribution exhibiting the wave as a normal mode of the system. Additionally, we explore the generation of seed magnetic fields in astrophysical and cosmological plasmas through general relativistic plasma hydrodynamics. In initially unmagnetized relativistic plasmas within a Schwarzschild spacetime, heat flux serves as a free energy source for magnetic field generation, even when conventional mechanisms are absent. In an expanding universe, heat flux and bulk viscosity can dominate previously proposed seed field generation mechanisms depending on thermal conduction coefficients, viscosity, and the universe’s expansion rate. Furthermore, we demonstrate that the interplay between plasma dynamics and dark energy – modeled via a positive cosmological constant -— can drive magnetic field generation far from a Schwarzschild–de Sitter black hole.

Investigamos la propagación de ondas Alfvénicas mediante teoría cinética lineal, analizando los efectos de la composición del plasma, temperatura finita y distribuciones de velocidad no térmicas. Demostramos que tanto la temperatura del plasma como la presencia de iones pesados modifican las propiedades de polarización de las ondas, permitiendo que la onda cinética de Alfvén se propague con ángulos normales al campo más pequeños que en un plasma frío de electrón-protón. Utilizando teoría cuasilineal y simulaciones de partículas de prueba, mostramos que las ondas de ion ciclotrón modifican las distribuciones de velocidad de iones pesados, dando lugar a una distribución para la cual dicha onda es un modo normal del sistema. Además, exploramos la generación de semillas magnéticas en plasmas astrofísicos y cosmológicos mediante hidrodinámica general-relativista. En plasmas inicialmente no magnetizados en una geometría de Schwarzschild, el flujo de calor actúa como fuente de energía libre para la creación de campos magnéticos, incluso en ausencia de mecanismos convencionales. En un universo en expansión, los efectos de viscosidad y flujo de calor pueden dominar la creación de semillas magnéticas, dependiendo de los coeficientes de conducción térmica, viscosidad y la tasa de expansión del universo. Finalmente, demostramos que la interacción entre plasma y energía oscura – modelada mediante una constante cosmológica positiva – puede impulsar la generación de campos magnéticos lejos de un agujero negro de Schwarzschild–de Sitter.