Продолжая крутые вопросы и ответы по физике в темах Где все медленные нейтрино? , Возможно ли, что весь «спонтанный ядерный распад» на самом деле вызван «медленными нейтрино»? , и Как выглядит космический фон нейтрино сегодня, учитывая, что нейтрино обладают массой? , У меня есть дополнительный вопрос, который вытекает из этого ответа на этот последний вопрос.
Точнее говоря, Большой взрыв должен был произвести кучу нейтрино и антинейтрино как побочный эффект создания всей этой материи, и после определенного момента они должны были отделиться от материи и просто беспрепятственно лететь в пространстве. Со временем эти нейтрино сместятся в красную сторону, как это произошло с космическим микроволновым фоном, и сформируют фон космических нейтрино при температуре около .
В зависимости от массы нейтрино это может означать диапазон скоростей, но если нейтрино относительно массивны, цитируя ответ Роба , они
будет иметь типичные скорости менее 100 км / с, что меньше скорости убегания некоторых звезд. Таким образом, холодные нейтрино могут накапливаться в гравитационных ямах, что приводит к существенному повышению плотности по сравнению со средним значением в 100 ν/см³, которое вы ожидаете в межгалактическом пространстве.
Теперь об этом накоплении в гравитационных колодцах у меня есть вопрос, похожий на более поздний комментарий Роба,
(Я лишь немного не понимаю, как холодные нейтрино захватываются, не рассеиваясь, но я готов поверить, что это обсуждается в литературе.)
Напротив, я совершенно не понимаю, как холодные нейтрино попадают в ловушку, не рассеиваясь. У вас есть эта маленькая частица, которая взаимодействует только гравитационно, приближаясь к звезде со скоростью на бесконечности порядка (но меньше) скорости убегания. При нормальных обстоятельствах частица приблизится к звезде... и снова улетит по гиперболической траектории, которая в конечном итоге будет иметь ту же асимптотическую скорость, с которой она пришла. Если есть третье тело, с которым можно взаимодействовать, оно может отклониться на связанную орбиту, но без каких-либо значимых взаимодействий, кроме гравитации, мне кажется маловероятным, что это сработает с астрономически большим числом нейтрино.
Какая грубая физика стоит за захватом этих массивных холодных нейтрино гравитационным колодцем?
Это требует, чтобы они каким-то образом теряли энергию (сбрасывали гиперболические орбиты на периодические).
Доступны два основных механизма: гравитационное рассеяние и слабое рассеяние. В обоих случаях мы ожидаем, что взаимодействие будет упругим, но это не означает, что нейтрино будет иметь столько же кинетической энергии в системе звезды после взаимодействия, как и раньше: оно может отдать часть другим участникам. Этот эффект обязательно очень, очень медленный.
Для гравитационного рассеяния думайте о гравитационном ускорении, но в направлении потери энергии, а не в направлении получения энергии, как мы обычно применяем к космическим кораблям.
Для слабого рассеяния применима та же основная идея. Пока центр импульса движется с начальным направлением нейтрино в системе отсчета звезды, нейтрино будет иметь меньшую энергию в звездной системе после взаимодействия, чем до.
В любом случае барионная материя, участвующая в рассеянии, получает энергию, но она может излучать эту энергию мирскими средствами, чего нейтрино не могут делать сами по себе. Таким образом, нейтрино могут охлаждаться, передавая энергию барионной материи, которая остывает обычным образом. Излишне говорить, что нейтрино остывают медленнее, чем обычное вещество, поскольку их канал связи очень слаб.
Большой вопрос: «Не должны ли нейтрино набирать энергию примерно так же часто, как и терять ее?» , и я думаю, что да. Но это приводит к распределению выигрышей и потерь энергии, и мы рассматриваем дифференциальную судьбу двух хвостов этого распределения. Те, которые набирают энергию , покинут окрестности звезды, в то время как те, которые теряют энергию, могут измениться с «едва гиперболических» на «едва эллиптических», или, если они уже были захвачены, станут немного более связанными. Как обычно, система так же охлаждается, выбрасывая наиболее энергичные части, отдавая энергию барионному компоненту системы, который излучается электромагнитными средствами.
Я подумал об этом немного больше, так как я вызвал ваш вопрос , и есть несколько других сложностей, на которые стоит обратить внимание. Это может быть больше похоже на комментарий, чем на ответ, но он слишком длинный для комментария.
Во-первых, и непосредственно по вашему вопросу: космический нейтринный фон уже присутствует до того, как образуется гравитационный колодец звезды. Если принять гипотезу о газе холодных нейтрино, находящемся в тепловом равновесии при температуре 2 Кельвина с типичными скоростями 100 км/с, эти нейтрино проникают в области звездообразования с низкой скоростью убегания. Плотные области вокруг звезд развиваются без взаимодействия с нейтрино, и нейтрино оказываются в ловушке.
Для классической аналогии представьте, что вы едете на блуждающей планете А, не привязанной ни к одной звезде. Звезда В, гравитационно несвязанная с вами, приближается с севера, а звезда С, также гравитационно несвязанная, приближается с юга. Взаимодействие только с любой из звезд выбросит вас на гиперболическую орбиту. Однако, если B и C сталкиваются и сливаются таким образом, что их скорость относительно вас равна нулю, вы и ваша планета-изгой оказываетесь гравитационно связанными с новым объектом, не взаимодействуя с ним. По сути, это сценарий, с которым сталкиваются холодные нейтрино в областях звездообразования.
Однако этот простой захват не дает никакого увеличения плотности реликтовых нейтрино вокруг звезд по сравнению со средним фоном. Это просто говорит о том, что вы будете удерживать нейтрино, которые будут рядом, когда звезда будет сформирована.
Во-вторых, рассеяние . Существует гравитационное рассеяние, рассеяние заряженных токов на обычном веществе и рассеяние нейтральных токов среди нейтрино. Все они крошечные, конечно, но в них задействовано много нейтрино (см. также следующий пункт). Событие рассеяния между двумя нейтрино в гравитационном колодце может привести к тому, что одно из них будет выброшено из колодца, а другое станет более тесно связанным. Этот процесс может дать вам постепенное увеличение плотности «пойманных» нейтрино с течением времени, хотя количественное выражение «постепенного» выходит за рамки этого ответа (и, вероятно, уже в литературе).
Третье и самое неприятное: не забывайте, что нейтрино подчиняются статистике Ферми-Дирака. Белые карлики больше, чем нейтронные звезды с той же массой, потому что электроны менее массивны, чем нейтроны, поэтому плотность вырожденного числа для электронов ниже. Холодная нейтринная материя становится вырожденной при удивительно низких плотностях ( одна оценка ). Любое правильное обсуждение связанных нейтрино CνB должно учитывать это.
Как поясняется в этой статье , доминирующий эффект обусловлен гравитационными взаимодействиями, которые могут давать избыточную плотность до коэффициента для масс нейтрино порядка 1 эВ. Скопление реликтовых нейтрино можно хорошо смоделировать с помощью бесстолкновительного уравнения Больцмана (уравнение Власова), в котором плотности изменяются под влиянием гравитационного потенциала, который, в свою очередь, удовлетворяет уравнению Пуассона.
Связанная система уравнений Власова и Яда содержит всю соответствующую физику того, как нейтрино захватываются из-за повышения локальной сверхплотности. Если у вас есть гравитационно связанными частицами, и появляется другая частица, она может терять энергию, взаимодействуя гравитационно со сверхплотностью из-за кластеризации подмножества этих частиц. частицы, а затем попадают в гравитационный потенциал большего набора частицы.
ПрофРоб