Könnten Neutrinos die Galaxien und Cluster der Umlaufbahn nicht verlangsamen und somit einen großen Teil selbst der KALTEN dunklen Materie ausmachen?
Kalte dunkle Materie ist die Art von dunkler Materie, die am stärksten neutral ist. Aber Neutrinos selbst leiden unter einer großen Tendenz zur Erkennung von Überlebensraten („alle Neutrinos, die Sie erkennen können, müssen relativistische Geschwindigkeiten haben“).https://physics.stackexchange.com/questions/267035/where-are-all-the-slow-neutrinos
Nach dem gleichen Prinzip, dass es mehr Kieselsteine als Felsbrocken und mehr rote Zwerge als blaue Riesen gibt, sollten langsame Neutrinos häufiger vorkommen als schnelle, nachweisbare.
Nicht-relativistische (langsame) Neutrinos - insbesondere solche, die unterhalb der galaktischen Fluchtgeschwindigkeit liegen - könnten eine Hauptkompetenz der kalten dunklen Materie sein: Langsame Neutrinos könnten langsam genug sein, um Galaxien und galaktische Cluster zu umkreisen und somit eine signifikante Menge an cdm zu bilden. die als galaktischer Heiligenschein geformt sein sollte.
Wenn Neutrinos bei allen Geschwindigkeiten produziert werden, werden sich diese stellaren (modernen) Neutrinos unterhalb der galaktischen Fluchtgeschwindigkeit auf unbestimmte Zeit ansammeln. Dies sollte eine haloförmige Wolke erzeugen, und dies könnte einen großen Teil ausmachen (natürlich sind 15% MACHOs usw.https://ned.ipac.caltech.edu/level5/Sept17/Freese/Freese4.html - Ich gehe hier von einem Mehrkomponenten-DM) kalter dunkler Materie aus.
Antworten
Diese Neutrinos müssten wirklich kalt sein. Der kosmische Neutrino-Hintergrund liegt bei 1,9 K und sie werden als heiße dunkle Materie angesehen, da sie in der Epoche der Strukturbildung sehr relativistisch gewesen wären. Um als kalte dunkle Materie betrachtet zu werden und auch in Umlaufbahnen in Galaxien eingefangen zu werden, müssten die Neutrinos viel kälter sein - jetzt völlig nicht relativistisch.
Nehmen wir dann eine durchschnittliche Energie von ungefähr 0,1 eV für jedes Neutrino an (ähnlich ihrer wahrscheinlichen Ruhemassenenergie). Um zu erklären$\Omega_{\rm CDM}\sim 0.3$ es müsste geben $5\times 10^{10}$ pro Kubikmeter oder ungefähr $10^{10}$pro Kubikmeter pro Geschmack im Durchschnitt über das Universum.
Um dunkle Materie in Galaxien (z. B. der Milchstraße) zu erklären, brauchen wir $\sim 10^{12} M_\odot$ innerhalb von etwa 100 kpc, was eine Zahlendichte von Neutrinos von bedeutet $10^{14}$ pro Kubikmeter.
Diese Neutrinos sind Spin-1/2-Fermionen und hätten somit eine Fermi-Energie von etwa $5\times 10^{-3}$eV. Das würde bedeuten, wenn sie kälter als 6 K wären, wären sie entartet und üben einen Entartungsdruck aus. Dies würde ausreichen, um die Bildung von Halos zu verhindern - Tremaine & Gunn (1979) zeigten, dass Halos aus kalter dunkler Materie nicht aus Leptonen mit geringer Masse wie Standardneutrinos hergestellt werden können.
Bearbeitungen:
Eine Rückseite der Hüllkurve Tremaine-Gunn-Grenze (siehe auch Boyarsky et al. 2009 ) ist anzunehmen, dass die Fluchtgeschwindigkeit der Galaxie ist$v$, es ist dunkle Materie Halos hat Radius $r$ist die Gesamtmasse $M$ und die Neutrinomasse ist $m$.
Die Anzahl der verfügbaren Quantenzustände, um halbe Fermionen in diesem Volumen bis zu einem Impuls zu spinnen $mv$ ist $$ N = \left(\frac{4\pi r^3}{3}\right) \left(\frac{8\pi}{3}\right) \left(\frac{mv}{h}\right)^3$$ Wir können schreiben $$ v = \left(\frac{2GM}{r}\right)^{1/2}.$$ Die in diesen Teilchen enthaltene Masse kann nicht größer sein, als wenn jeder Quantenzustand mit einer Fermion Masse gefüllt ist $m$ und wenn dies dunkle Materie erklären soll, dann muss diese Masse sein $\sim M$. So$$M < m\left(\frac{4\pi r^3}{3}\right) \left(\frac{8\pi}{3}\right) \left(\frac{m\sqrt{2GM/r}}{h}\right)^3$$ und $$mc^2 > 8.9\left(\frac{r}{\rm 100 kpc}\right)^{-3/8} \left(\frac{M}{10^{12}M_\odot}\right)^{-1/8}\ {\rm eV}\ .$$Somit gibt es nicht genügend Quantenzustände, um einen Halo von Fermionen aufzunehmen, es sei denn, ihre Ruhemassenenergien überschreiten etwa 10 eV. Für Neutrinos gibt es 3 Geschmacksrichtungen und Antiteilchen, die diese Anzahl um reduzieren$6^{1/4}$Umgekehrt muss es jedoch erhöht werden, da die Geschwindigkeit der Partikel im Halo nicht gleichmäßig zwischen 0 und 0 verteilt werden kann $v$.
10 ev ist etwa zwei Größenordnungen größer als die wahrscheinlichen Ruhemassen der bekannten Neutrinos.
Die Idee, dass Neutrinos von Sternen einen Beitrag zu Halos der Dunklen Materie leisten können, ist unhaltbar. Die überwiegende Mehrheit der solaren Neutrinos hat Energien über 0,1 MeV und damit für eine angenommene Neutrino-Ruhemassenenergie von$\sim 0.1$ eV haben sie Lorentz-Faktoren, die übersteigen $10^6$- dh sie bewegen sich sehr nahe an der Lichtgeschwindigkeit und sind nicht auf Galaxien beschränkt. Die bei Supernova-Explosionen emittierten Neutrinos sind noch energischer. Zweitens, selbst wenn Sie einen magischen Prozess erfinden , die Neutrinos mit kinetischen Energien von weniger als 0,1 eV erzeugen können, haben Sie noch die Tremaine-Gunn Grenze zu überwinden , und auch wenn alle die Ruhemassen aller Sterne in einer Galaxie in Neutrinos umgewandelt wurden, Diese Masse würde immer noch um mehr als eine Größenordnung unter der Masse liegen, die zur Erklärung der Dunklen Materie in Galaxien erforderlich ist. Sie können sich nicht vorstellen, dass sich die Neutrinos im Laufe der Zeit "häufen" würden, da die überwiegende Mehrheit der Masse, die jemals in Sterne verwandelt wurde, heute noch in Form von Sternen vorliegt und die Sterne, die bereits gelebt haben und gestorben sind, einen winzigen Prozentsatz der Sterne ausmachen benötigte Masse der dunklen Materie.
Es ist eine interessante, aber frustrierende Frage. ;)
Wie Sie bereits erwähnt haben, können wir keine langsamen Neutrinos nachweisen. Eine direkte Erkennung ist möglicherweise technisch nie machbar. Eine Antwort auf die verknüpfte Frage erwähnt, dass es einige mögliche indirekte Detektionstechniken für Neutrinos unterhalb der aktuellen Schwellenwerte gibt, aber der Nachweis der theoretisch großen Anzahl von Neutrinos und Antineutrinos, die während einiger Phasen des Urknalls freigesetzt und produziert werden, ist viel schwieriger. Diese Neutrinos haben eine weitaus größere Rotverschiebung erfahren als der kosmische Mikrowellenhintergrund. Wie eine andere Antwort in diesem Link erwähnt, liegt die Rotverschiebung der CNB (kosmischer Neutrino-Hintergrund) in der Größenordnung von$10^{10}$im Vergleich zu den 1100 oder so der CMB.
Wir können die Anzahl der Neutrinos mit niedriger Energie schätzen, aber es könnte einen Faktor geben, den unsere Theorien übersehen haben, so dass die Anzahl möglicherweise weit davon entfernt ist. Kalte langsame Neutrinos haben jedoch nicht viel Energie, so dass sie selbst in astronomisch großen Mengen keinen großen Einfluss auf die Raumzeitkrümmung haben, was sicherlich nicht ausreicht, um die gesamte dunkle Materie zu erklären, die wir indirekt über ihre Masse entdeckt haben.
Laut dem Artikel von Wikipedia über das kosmologische Modell von Lambda CDM könnten die Reliktneutrinos bis zu 0,5% des Energiegehalts des Universums ausmachen. OTOH, das sind mehr als 0,01% aufgrund von EM-Strahlung, die von CMB-Photonen dominiert wird.
Unsere derzeit empfindlichste Neutrino-Nachweisreaktion , die Elsass-Lothringen-Technik (so genannt, weil sie eine Gallium → Germanium → Gallium-Sequenz verwendet), hat einen Schwellenwert von 233 keV. Das heißt, die kinetische Energie dieser Neutrinos ist mehr als eine Viertelmillion Mal so hoch wie ihre (Ruhe-) Massenenergie. Und unsere Detektoren haben das Glück, ungefähr 1 Neutrino pro Milliarde zu fangen, die sie passieren. Es ist zu beachten, dass 233 keV weniger als die Hälfte der Restmassenenergie eines Elektrons (511 keV) ist.
Neutrinos müssen sehr kalt / rotverschoben sein, um etwas zu umkreisen (außer schwarzen Löchern und möglicherweise Neutronensternen). Denken Sie daran, dass selbst Neutrinos mit einem eV oder so kinetischer Energie noch relativistisch sind. Sie können also von Galaxien und sogar Sternen abgelenkt werden, aber sie können nicht in eine geschlossene Umlaufbahn gelangen.
Wie ich bereits sagte, sind die CNB Neutrinos hochrotverschobener, und so (einige von ihnen) können gravitativ an Galaxien gebunden sein, und vielleicht sogar einzelne Sterne. Sie sind also ein Bestandteil der Dunklen Materie, aber ein ziemlich kleiner.
Der Großteil der Urknall-Neutrinos (und Antineutrinos, der Begriff "Neutrino" kann beide Typen abdecken, wenn der Unterschied zwischen ihnen nicht relevant ist) in der CNB wurde während der Neutrino-Entkopplung 1 Sekunde nach Beginn des Urknalls freigesetzt. Aus Wikipedia :
In der Urknallkosmologie war die Neutrino-Entkopplung die Epoche, in der Neutrinos aufhörten, mit anderen Arten von Materie zu interagieren, und damit frühzeitig die Dynamik des Universums nicht mehr beeinflussten. Vor der Entkopplung befanden sich Neutrinos im thermischen Gleichgewicht mit Protonen, Neutronen und Elektronen, was durch die schwache Wechselwirkung aufrechterhalten wurde.
Die Entkopplung erfolgte ungefähr zu dem Zeitpunkt, als die Rate dieser schwachen Wechselwirkungen langsamer war als die Expansionsrate des Universums. Alternativ war es die Zeit, in der die Zeitskala für schwache Wechselwirkungen größer wurde als das Alter des Universums zu dieser Zeit. Die Neutrino-Entkopplung fand ungefähr eine Sekunde nach dem Urknall statt, als die Temperatur des Universums ungefähr 10 Milliarden Kelvin oder 1 MeV betrug.
Nach der Entkopplung wurden einige Neutrinos und Antineutrinos als Neutronen freigesetzt, die in Protonen umgewandelt wurden und umgekehrt. Die Umwandlung von Protonen → Neutronen erfordert normalerweise eine Umgebung mit hoher Energie, da Neutronen mehr Masse als Protonen haben. Umgekehrt sind freie Neutronen mit einer Halbwertszeit von etwas mehr als 10 Minuten instabil. Es gab auch einige Neutrinos, die während der Urknall-Nukleosynthese (die etwa 20 Minuten nach dem Urknall endete) produziert wurden, als Wasserstoff in Helium umgewandelt wurde. Die BB-Nukleosynthese reinigte die meisten verbleibenden freien Neutronen.