Несколько раз я встречал в учебниках и статьях, что нейтрино могут вносить лишь небольшую долю в темную материю. Причина кроется в том, что если бы вся темная материя состояла из нейтрино, то мелкомасштабные структуры во Вселенной еще не могли образоваться, потому что, как говорится, нейтрино «вымывают» малые флуктуации. Однако ни в одном из этих текстов не содержится ссылки на какие-либо конкретные источники, подробно объясняющие, что подразумевается под «вымыванием». Ведь нейтрино печально известны своим слабым взаимодействием с барионным веществом, так что если есть мелкомасштабная флуктуация барионов, то как фоновые нейтрино могут помешать ее дальнейшему росту, если они практически не взаимодействуют с барионами? Я предполагаю, что вопрос сводится к расчету сечений взаимодействий при определенных температурах.
Мы знаем, что вначале материя была равномерно распределена, потому что космический микроволновый фон необычайно однороден. И все же мы знаем, что первые галактики формировались едва ли через полмиллиарда лет после Большого взрыва . Таким образом, агрегация материи для образования больших гравитационных структур происходила необычайно быстро.
Относительно просто смоделировать, как быстро росли бы возмущения, наблюдаемые в реликтовом излучении, при различных условиях, таких как плотность материи, и, вообще говоря, если мы начнем с холодной темной материи, скорость роста будет достаточно высокой. NB видимая материя сама по себе не смогла бы так быстро создавать галактики, потому что ее плотность просто недостаточно велика. Галактики формировались так быстро, потому что темная материя гораздо более высокой плотности была способна образовывать гравитационно-связанные структуры, а барионная материя следовала за ней в колодцы.
Однако при Большом взрыве нейтрино были созданы с релятивистскими скоростями, и чрезвычайно трудно сформировать гравитационно-связанные структуры из быстро движущихся объектов. Скорость объектов всегда будет намного выше локальной скорости убегания. Если бы вся темная материя была нейтрино, потребовалось бы огромное время для формирования гравитационно-связанных структур, потому что нейтрино чрезвычайно трудно потерять свою энергию и достаточно замедлиться.
Вот почему темная материя не может быть нейтрино. Дело не в том, что нейтрино каким-то образом мешают барионной материи формировать гравитационно-связанные структуры, а в том, что барионной материи требуется помощь темной материи, чтобы сформировать эти структуры достаточно быстро. Нейтрино не могли оказать такую помощь.
В настоящее время считается, что плотность энергии темной материи во Вселенной примерно в пять раз превышает плотность энергии барионной материи. При этом плотность энергии излучения практически незначительна. Энергия материи составляет около 4,5% от общей плотности энергии Вселенной. Темная материя составляет около 23%, а излучение очень мало — около 0,009%. Число радиации рассчитывалось с учетом всех релятивистских частиц, включая нейтрино. На самом деле, если вы пройдете и прочитаете эту ссылку , она подробно рассчитает расчет полной плотности энергии нейтрино и покажет, что считается, что она составляет около 68% плотности энергии фотонов. Таким образом, 0,009% Вселенной, состоящей из релятивистских частиц, в основном даже не нейтрино.
Моя точка? На самом деле просто недостаточно нейтрино, чтобы объяснить темную материю как нейтрино. Мало того, мы явно уже включили их в расчет. Темная материя составляет 22,7% (плюс-минус) плотности энергии Вселенной. И это помимо менее 0,0036%, которые составляют нейтрино. Таким образом, нейтрино никак не может быть главным, не говоря уже о единственном, компоненте темной материи.
Для обзора плотности энергии см. Википедию и ссылки в ней .
Чтобы ответить на ваш вопрос о «вымывании», статья в Википедии о темной материи очень хорошо объясняет это. Для образования мелкомасштабной структуры требуется темная материя, которая помогает гравитационно связывать барионную материю. Однако длина бесплатного вещаниялюбой частицы-кандидата, которая выполняет это, должна быть малой. Длина свободного потока — это расстояние, на которое частицы перемещаются в ранней Вселенной от случайных движений до того, как расширение замедлит их. Первичные флуктуации плотности дают зародыши для формирования мелкомасштабной структуры, но если длина свободного потока частицы-кандидата в темную материю больше, чем масштаб малых первичных возмущений, то эти возмущения становятся гомогенизированными (или «вымываются») по мере того, как частицы взаимодействуют и уравновешиваются. Без возмущений затравка для мелкомасштабной структуры отсутствует и, следовательно, она не формируется.
Теперь вам может быть интересно, почему темная материя нужна в первую очередь для формирования мелкомасштабных структур. После Большого взрыва обычная барионная материя имела слишком высокую температуру и давление, чтобы самостоятельно образовать структуру. Для этого требуется гравитационное семя (например, дать ему толчок, чтобы запустить гравитационный коллапс), что означает, что должно быть возмущение плотности более холодной, менее взаимодействующей формы материи, чтобы обеспечить это семя; то есть локальная плотность этой холодной темной материи выше фонового значения. Эти возмущения должны были образоваться из-за первичных возмущений плотности, оставшихся от инфляции. Однако известно, что нейтрино имеют большую длину свободного потока, поэтому они будут сглаживать эти возмущения в собственной плотности .и вы не получите локальную область высокой плотности, которая могла бы действовать как затравка. Нет семени - нет коллапса. Отсутствие коллапса означает отсутствие мелкомасштабной структуры (пока не станет слишком поздно). Нейтрино на самом деле являются главными кандидатами на роль горячей темной материи, но они не являются приемлемым фактором для холодной темной материи, что необходимо для формирования достаточно мелкомасштабных структур.
Пустота
Этот парень
Qмеханик
Джим