¿Por qué se descartan los neutrinos como componente principal (o incluso único) de la materia oscura?

Sabemos que la materia comenzó distribuida uniformemente, porque el fondo cósmico de microondas es extraordinariamente homogéneo. Y, sin embargo, sabemos que las primeras galaxias se formaron apenas quinientos millones de años después del Big Bang . Así que la agregación de materia para formar grandes estructuras gravitatorias fue extraordinariamente rápida.

Es relativamente sencillo modelar qué tan rápido habrían crecido las perturbaciones vistas en el CMB, poniendo en varias condiciones como la densidad de la materia y, en general, si comenzamos con la materia oscura fría, la tasa de crecimiento es lo suficientemente rápida. NB: la materia visible no habría sido capaz de crear galaxias tan rápido por sí sola porque su densidad simplemente no es lo suficientemente grande. Las galaxias se formaron tan rápido porque la materia oscura de mucha mayor densidad fue capaz de formar estructuras unidas gravitacionalmente y la materia bariónica la siguió hasta los pozos.

Sin embargo, en el Big Bang, los neutrinos se crearon con velocidades relativistas, y es extremadamente difícil formar estructuras ligadas gravitacionalmente a partir de objetos que se mueven rápidamente. La velocidad de los objetos siempre estará muy por encima de las velocidades de escape locales. Si toda la materia oscura fueran neutrinos, llevaría mucho tiempo formar estructuras unidas gravitacionalmente porque es extremadamente difícil para los neutrinos perder su energía y disminuir la velocidad lo suficiente.

Y es por eso que la materia oscura no puede ser neutrinos. No es que los neutrinos impidan de alguna manera que la materia bariónica forme estructuras unidas gravitacionalmente, sino que la materia bariónica requirió la ayuda de la materia oscura para formar esas estructuras lo suficientemente rápido. Los neutrinos no podrían haber proporcionado esa ayuda.

En la actualidad, se cree que la densidad de energía de la materia oscura del universo es unas cinco veces mayor que la densidad de energía de la materia bariónica. Mientras tanto, la densidad de energía de radiación es casi insignificante. La energía de la materia es aproximadamente el 4,5% de la densidad de energía total del universo. La materia oscura constituye alrededor del 23% y la radiación es muy pequeña, alrededor del 0,009%. El número de radiación se calculó incluyendo todas las partículas relativistas, incluidos los neutrinos. De hecho, si revisa y lee este enlace , detalla el cálculo de la densidad de energía total de los neutrinos y muestra que se cree que es aproximadamente el 68% de la densidad de energía de los fotones. Entonces, el 0.009% del universo que son partículas relativistas ni siquiera son en su mayoría neutrinos.

¿Mi punto? Realmente, simplemente no hay suficientes neutrinos para explicar la materia oscura como neutrinos. No solo eso, sino que claramente ya los hemos incluido en el cálculo. La materia oscura constituye el 22,7% (más o menos) de la densidad de energía del universo. Y eso se suma al menos del 0,0036% que representan los neutrinos. Así que no hay forma de que los neutrinos puedan ser un componente principal, y mucho menos el único, de la materia oscura.

Para obtener una descripción general de las densidades de energía, consulte Wikipedia y sus enlaces .

Para responder a su pregunta sobre "lavado", el artículo de Wikipedia sobre Dark Matter hace un muy buen trabajo al explicar esto. Para que se forme una estructura a pequeña escala, se requiere materia oscura para ayudar a unir gravitacionalmente la materia bariónica. Sin embargo, la duración de la transmisión gratuitade cualquier partícula candidata que logre esto debe ser pequeña. La longitud de transmisión libre es la distancia que las partículas se mueven en el universo primitivo a partir de movimientos aleatorios antes de que la expansión las frene. Las fluctuaciones de densidad primordial proporcionan las semillas para que se forme una estructura a pequeña escala, pero si la longitud de flujo libre de la partícula candidata a materia oscura es mayor que la escala de las pequeñas perturbaciones primordiales, entonces estas perturbaciones se homogeneizan (o "se eliminan") como la las partículas se comunican y equilibran. Sin las perturbaciones, no hay semilla para la estructura a pequeña escala y, por lo tanto, no se forma.

Ahora puede que se pregunte por qué se necesita materia oscura en primer lugar para que se forme una estructura a pequeña escala. Después del Big Bang, la materia bariónica ordinaria tenía demasiada temperatura y presión para colapsar en una estructura por sí sola. Requiere una semilla gravitacional (como darle un empujón para que comience el colapso gravitatorio), lo que significa que tiene que haber una perturbación en la densidad de una forma de materia más fría y menos interactiva para proporcionar esta semilla; es decir, una densidad local de esta materia oscura fría superior al valor de fondo. Estas perturbaciones se formarían debido a las perturbaciones de densidad primordial que quedaron de la inflación. Sin embargo, se sabe que los neutrinos tienen una longitud de transmisión libre alta, por lo que suavizarían estas perturbaciones en su propia densidad .y no obtendrías una región local de alta densidad que pudiera actuar como semilla. Sin semilla significa que no hay colapso. Sin colapso significa que no hay estructura a pequeña escala (hasta que es demasiado tarde). Los neutrinos son en realidad el candidato principal para la materia oscura caliente, pero no son una consideración viable para la materia oscura fría, que es lo que se necesita para generar suficiente formación de estructuras a pequeña escala.