¿Los neutrinos de fondo primordiales orbitan en halos de materia oscura?

Según Wikipedia , los neutrinos se separaron de otra materia segundos después del Big Bang y formaron un campo de radiación de fondo separado que ahora llena el espacio a una temperatura de ~2 K.

Suponiendo que los neutrinos tienen una masa en reposo de 2 eV/c 2 , deberían viajar a una velocidad media

v v = C 2 ⋅ k ⋅ 2 k 2 mi V ≈ 4 ⋅ 10 6 metro / s

Me parece que a medida que los neutrinos se ralentizan debido a la expansión métrica del espacio, deberían agruparse en órbitas alrededor de las galaxias. Las galaxias distantes deberían mostrar menos el efecto porque los neutrinos iban más rápido en ese momento.

¿Es esto correcto?

Según el mismo artículo de Wikipedia, los neutrinos de fondo originalmente tenían una energía de 2,5 MeV y estaban en equilibrio térmico con electrones, positrones y fotones. Entonces, mientras que alguna vez representaron una cuarta parte de la masa-energía del Universo (¿o la mitad, porque hay tres sabores?), su masa actual, esencialmente en reposo, es menos de una millonésima parte.

Eso es muy poco para hacer mella en el misterio de la materia oscura, o incluso observar el efecto dependiente del tiempo que acabo de mencionar, ¿verdad?

Además, las órbitas galácticas no se expanden métricamente, por lo que esto esencialmente atrapa los neutrinos alrededor de cualquier galaxia en una capa esférica con el radio orbital y la velocidad que dependen de la masa de la galaxia. Un neutrino que va demasiado rápido escapará y pasará por una galaxia, pero cuando llegue a la próxima galaxia, se desplazará aún más hacia el rojo y podría quedar atrapado gravitacionalmente. Entonces no se ralentizará más porque la vecindad de una galaxia es geométricamente estable.

Si hubiera algo más grande para que los neutrinos orbitaran, podrían estabilizarse a una velocidad más alta, pero aún así no podría ser relativista, ¿verdad?

Dado que nada (además de un montón de espacio vacío) puede ralentizar a un neutrino, esto establece un límite de velocidad más bajo para todos los neutrinos en una galaxia o un cúmulo de galaxias, ¿verdad?

Que oportuno Este documento, Neutrino agrupado alrededor de halos esféricos de materia oscura , se colocó en el Arxiv hace solo una semana. Creo que la respuesta corta es "hay una cantidad pequeña pero constante de neutrinos". Quizás alguien pueda usar este o algún otro documento como punto de partida para una respuesta completa.
@ChrisWhite ¡Gracias, parece que da en el clavo! Solo soy un físico de sillón, así que realmente no estoy pidiendo que se "lance" una respuesta, aunque más puede ser mejor :)
Esto está en línea con la forma en que la gente ha estado pensando sobre los neutrinos fríos, pero creo que el pensamiento actual favorece masas mucho más bajas para los tres estados de masa conocidos. Véase, por ejemplo, arxiv.org/abs/1306.5544 .
@dmckee Según el documento vinculado por Chris, la distribución térmica proporciona amplios haloneutrinos con masas de hasta 0,05 eV. Si entiendo correctamente la Figura 4, debería haber una masa de neutrinos equivalente a entre un millón y mil millones de soles alrededor de la Vía Láctea. Realmente no entiendo cuándo eso se vuelve cierto, pero parece ser más o menos el momento actual.

Respuestas (1)

Hay varios signos de interrogación, aquí trato de analizar uno por uno.

  1. 3er párrafo: sí y no. El agrupamiento depende de las siguientes dos energías: (valor absoluto de) potencial gravitatorio de la galaxia ϕ , y la energía cinética de los neutrinos mi k . La energía media de los neutrinos reliquia mi ¯ k disminuye a medida que el universo se expande. ϕ crecería si sólo hubiera materia normal y materia oscura. Combinando estos dos, el agrupamiento de neutrinos se vuelve significativo en el universo reciente, dando la parte del 'sí'. Pero, si nuestro estándar Λ El modelo CDM demuestra ser correcto, el crecimiento de las estructuras se está desacelerando a gran escala, y también se desacelerará a escala galáctica, y finalmente ϕ va a disminuir. Luego necesita algunos cálculos para ver si la agrupación de neutrinos se ralentizará o acelerará en algún momento en el futuro, de ahí la parte 'no'. Pero de nuevo, si Λ El modelo CDM es correcto, el estado final del universo es uniforme y sin ninguna estructura, es decir, debe haber un período de desaceleración para el agrupamiento de neutrinos.

  2. Cuarto párrafo: la energía promedio de los neutrinos aumenta con la temperatura del universo, por lo que puede estar muy por encima de los 2,5 MeV; este valor tiene cierta importancia quizás porque alrededor de este valor los neutrinos se liberan de las colisiones con los electrones, etc. temperatura, de acuerdo con el teorema de equipartición, calculamos la fracción de energía contando los grados de libertad (dof) de todas las partículas, incluidos los electrones (dof = 2), los positrones (dof = 2), los neutrinos (tres generaciones, cada una con un dof 1 dando un total de dof =3), antipartículas (dof=3), así como fotones (dof=2). -- Ahora veo la lógica de tu resultado. Si no existe este factor de 7/8 unido a los electrones/neutrinos, la fracción de energía en los neutrinos será de hecho 1/2 en ese momento. El factor 7/8 proviene de diferentes estadísticas satisfechas por neutrinos/electrones (Fermi-Dirac) y fotones (Bose-Einstein); debido a este factor, la fracción se convierte en 21/43.

  3. Quinto párrafo: el artículo mencionado por @Chris White calculó la evolución temporal del agrupamiento de neutrinos. Sin embargo, la conclusión parecía ser sobre el perfil de densidad actual; pero incluso el agrupamiento de neutrinos hoy en día es difícil de observar: los neutrinos aún son muy pocos, sin mencionar la evolución temporal.

  4. dos preguntas en los dos últimos párrafos: la temperatura, 1,9K, indica una energía cinética media. Puede haber neutrinos reliquia de energía arbitrariamente más alta y arbitrariamente más baja de lo que indica este valor; este es un problema de distribución de Fermi-Dirac.

[nota de edición]: La baja velocidad de los neutrinos y el fuerte campo gravitatorio de la galaxia facilitan la captura, pero son insuficientes para que se produzca. Imagine un neutrino que viene de un cero- ϕ lugar; su energía siempre será positiva. Caerá en la galaxia y eventualmente se caerá, si no le ocurrieron colisiones. Capturar un neutrino para una galaxia es como capturar un satélite para un planeta, lo cual es un problema clásico e involucra interacciones de 3 cuerpos.

Gracias por aguantarme... es tan fácil hacer demasiadas preguntas :) La idea detrás de (4) es que los neutrinos fríos abandonarán la distribución termodinámica a medida que la captura detiene selectivamente el enfriamiento de los neutrinos. Siempre que los vecindarios galácticos sean densos en comparación con la escala de distancia requerida para un desplazamiento hacia el rojo apreciable, y bastante homogéneos, cada neutrino reliquia es capturado en el vecindario del observador poco después de que su energía alcance el valor crítico.
… aunque es bastante especulativo. Si alguna vez hubo una pregunta académica :P
@Potatoswatter: Estoy de acuerdo con el argumento de no-redshift-after-capture. Los neutrinos en el espacio libre siguen las geodésicas, cuando fuera de la galaxia la métrica es la métrica homogénea (en constante expansión) de Robertson-Walker; y una vez dentro de la galaxia, la métrica local es más esférica, la métrica de Schwarzschild, que no se expande. Y en mi opinión, tus preguntas son muy académicas.
Tu edición no es interesante; Supongo que otra interpretación sería que 1. el último bit de energía debe ser agotado por el corrimiento al rojo inmediatamente antes de la captura (causando una energía potencial inicial aparentemente negativa), o 2. que el neutrino fue frenado por un efecto de honda de una galaxia que pasaba, que posteriormente se aleja de la escena y deja al neutrino atrapado por su vecino.
¿Los neutrinos de fondo primordiales orbitan en halos de materia oscura?
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