Astronomie

Les neutrinos lents ne pourraient-ils pas orbiter autour des galaxies et des amas, comprenant ainsi une grande partie de la matière noire même FROIDE ?

Les neutrinos lents ne pourraient-ils pas orbiter autour des galaxies et des amas, comprenant ainsi une grande partie de la matière noire même FROIDE ?

La matière noire froide est le type de matière noire qui est le plus éminemment exempt de neutrinos. Mais les neutrinos eux-mêmes souffrent d'un important biais de détection de survie ("tous les neutrinos que vous pouvez détecter doivent nécessairement avoir des vitesses relativistes") https://physics.stackexchange.com/questions/267035/where-are-all-the-slow-neutrinos

Par le même principe qu'il y a plus de cailloux que de rochers et plus de naines rouges que de géantes bleues, les neutrinos lents devraient être plus abondants que les neutrinos rapides et détectables.

Les neutrinos non relativistes (lents) - en particulier ceux se situant en dessous de la vitesse d'échappement galactique - pourraient être une compétence majeure de la matière noire froide : les neutrinos lents pourraient être suffisamment lents pour orbiter autour des galaxies et des amas galactiques et former ainsi une qui devrait avoir la forme d'un halo galactique.

Si les neutrinos sont produits à toutes les vitesses, les neutrinos stellaires (modernes) inférieurs à la vitesse d'échappement galactique s'accumuleront indéfiniment. Cela devrait générer un nuage en forme de halo, et cela pourrait comprendre une grande partie (bien sûr, 15% sont des MACHO, etc. https://ned.ipac.caltech.edu/level5/Sept17/Freese/Freese4.html - je suppose ici un DM à plusieurs composants) de matière noire froide.


Ces neutrinos devraient être vraiment froids. Le fond des neutrinos cosmiques est à 1,9K, et ils sont considérés chaud matière noire, car ils auraient été très relativistes à l'époque de la formation de la structure. Pour être considérés comme de la matière noire froide, et aussi pour être capturés en orbite dans les galaxies, les neutrinos devraient être beaucoup plus froids - totalement non relativistes maintenant.

Supposons alors une énergie moyenne d'environ 0,1 eV pour chaque neutrino (similaire à leur énergie de masse au repos probable). Afin de rendre compte $Omega_{ m CDM}sim 0.3$ il faudrait qu'il y ait $5x 10^{10}$ par mètre cube, soit environ $10^{10}$ par mètre cube par saveur, en moyenne sur l'univers.

Pour tenir compte de la matière noire dans les galaxies (par exemple la Voie lactée), nous avons besoin $sim 10^{12} M_odot$ à environ 100 kpc, ce qui signifie une densité en nombre de neutrinos de $10^{14}$ par mètre cube.

Ces neutrinos sont des fermions de spin 1/2 et auraient donc une énergie de Fermi d'environ $5x 10^{-3}$ eV. Cela signifierait que s'ils étaient plus froids que 6 K, ils seraient dégénérés et exerceraient une pression de dégénérescence. Cela suffirait à empêcher la formation de halos - Tremaine & Gunn (1979) ont montré que les halos de matière noire froide ne peuvent pas être fabriqués à partir de leptons de faible masse comme les neutrinos standards.

Modifications :

Un retour de la limite d'enveloppe Tremaine-Gunn (voir aussi Boyarsky et al. 2009) consiste à supposer que la vitesse de fuite de la galaxie est $v$, ce sont des halos de matière noire qui ont un rayon $r$, la masse totale est $M$ et la masse du neutrino est $m$.

Le nombre d'états quantiques disponibles pour faire tourner des demi-fermions dans ce volume, jusqu'à une quantité de mouvement $mv$ est $$ N = left(frac{4pi r^3}{3} ight) left(frac{8pi}{3} ight) left(frac{mv}{h} droit)^3$$ Nous pouvons écrire $$ v = gauche(frac{2GM}{r}droit)^{1/2}.$$ La masse contenue dans ces particules ne peut pas être plus grande que si chaque état quantique est rempli par un fermion de masse $m$ et si cela doit expliquer la matière noire, alors cette masse doit être $sim M$. Ainsi $$M < mleft(frac{4pi r^3}{3} ight) left(frac{8pi}{3} ight) left(frac{msqrt{ 2GM/r}}{h}droit)^3$$ et $$mc^2 > 8.9gauche(frac{r}{ m 100 kpc} ight)^{-3/8} gauche(frac{M}{10^{12}M_odot} à droite)^{-1/8} { m eV} .$$ Ainsi, il n'y a pas assez d'états quantiques pour accueillir un halo de fermions à moins que leurs énergies de masse au repos ne dépassent environ 10 eV. Pour les neutrinos, il y a 3 saveurs et anti particules, ce qui réduit ce nombre de $6^{1/4}$, mais inversement il doit être augmenté car les particules dans le halo ne peuvent pas être uniformément réparties en vitesse entre 0 et $v$.

10 ev est environ deux ordres de grandeur plus grand que les masses au repos probables des neutrinos connus.

L'idée que les neutrinos des étoiles puissent contribuer aux halos de matière noire est indéfendable. La grande majorité des neutrinos solaires ont des énergies supérieures à 0,1 MeV, et donc pour une énergie de masse au repos supposée des neutrinos de $sim 0.1$ eV, ils ont des facteurs de Lorentz qui dépassent $10^6$ - c'est-à-dire qu'ils voyagent extrêmement près de la vitesse de la lumière et ne sont pas confinés aux galaxies. Les neutrinos émis lors des explosions de supernova sont encore plus énergétiques. Deuxièmement, même si vous inventez un processus magique qui peut produire des neutrinos avec des énergies cinétiques inférieures à 0,1 eV, vous avez toujours la limite Tremaine-Gunn à surmonter et même si tout la masse restante de toutes les étoiles d'une galaxie a été convertie en neutrinos, cette masse serait encore inférieure de plus d'un ordre de grandeur à celle requise pour expliquer la matière noire dans les galaxies. Vous ne pouvez pas imaginer que les neutrinos « s'accumulent » avec le temps car la grande majorité de la masse qui a jamais été transformée en étoiles est encore aujourd'hui sous forme d'étoiles et les étoiles qui ont déjà vécu et sont mortes ne représentent qu'un infime pourcentage de la masse de matière noire requise.


C'est une question intéressante mais frustrante. ;)

Comme vous l'avez mentionné, nous ne pouvons pas détecter les neutrinos lents. Leur détection directe peut ne jamais être techniquement faisable. Une réponse de la question liée mentionne qu'il y a certains possible techniques de détection indirecte des neutrinos en dessous des seuils actuels, mais détecter les nombres théoriquement énormes de neutrinos et d'antineutrinos libérés et produits au cours de quelques phases du Big Bang est une proposition beaucoup plus difficile. Ces neutrinos ont subi un décalage vers le rouge bien plus important que le fond diffus cosmologique. Comme le mentionne une autre réponse sur ce lien, le décalage vers le rouge du CNB (fond de neutrino cosmique) est de l'ordre de $10^{10}$, comparé aux quelque 1100 du CMB.

Nous pouvons estimer le nombre de neutrinos de basse énergie, mais il pourrait y avoir un facteur que nos théories ont négligé, de sorte que les nombres force être loin. Cependant, les neutrinos lents froids n'ont pas beaucoup d'énergie, donc même en quantités astronomiquement énormes, ils n'ont pas beaucoup d'impact sur la courbure de l'espace-temps, certainement pas assez pour expliquer toute la matière noire que nous avons indirectement détectée via sa masse.

Selon l'article de Wikipédia sur le modèle cosmologique Lambda CDM, les neutrinos reliques pourrait représentent jusqu'à 0,5% du contenu énergétique de l'univers. OTOH, c'est plus que les 0,01 % dus au rayonnement EM, qui est dominé par les photons CMB.

Notre réaction actuelle de détection de neutrinos la plus sensible, la technique Alsace-Lorraine (ainsi nommée car elle utilise une séquence gallium → germanium → gallium) a un seuil de 233 keV. C'est-à-dire que l'énergie cinétique de ces neutrinos est plus d'un quart de million de fois leur énergie de masse (au repos). Et nos détecteurs ont la chance de capter environ 1 neutrino par milliard qui les traverse. Notez que 233 keV est moins de la moitié de l'énergie de masse au repos d'un électron (511 keV).

Les neutrinos doivent être très froids / décalés vers le rouge pour orbiter quoi que ce soit (à part les trous noirs et éventuellement les étoiles à neutrons). Gardez à l'esprit que même les neutrinos avec un eV ou plus d'énergie cinétique sont encore relativiste. Ils peuvent donc être déviés par les galaxies et même les étoiles, mais ils ne peuvent pas entrer sur une orbite fermée.

Comme je l'ai dit plus tôt, les neutrinos du CNB sont fortement décalés vers le rouge, et donc (certains d'entre eux) pouvez être lié gravitationnellement à des galaxies, et peut-être même à des étoiles individuelles. Ils sont donc un composant de la matière noire, mais assez petit.


La majeure partie des neutrinos du Big Bang (et des antineutrinos, le terme « neutrino » peut couvrir les deux types lorsque la différence entre eux n'est pas pertinente) dans le CNB ont été libérés lors du découplage des neutrinos, 1 seconde après le début du big bang. De Wikipédia :

Dans la cosmologie du Big Bang, le découplage des neutrinos était l'époque à laquelle les neutrinos ont cessé d'interagir avec d'autres types de matière, et ont ainsi cessé d'influencer la dynamique de l'univers aux premiers temps. Avant le découplage, les neutrinos étaient en équilibre thermique avec les protons, les neutrons et les électrons, qui était maintenu grâce à l'interaction faible.

Le découplage s'est produit approximativement au moment où le taux de ces interactions faibles était plus lent que le taux d'expansion de l'univers. Alternativement, c'était le moment où l'échelle de temps pour les interactions faibles est devenue plus grande que l'âge de l'univers à ce moment-là. Le découplage des neutrinos a eu lieu environ une seconde après le Big Bang, lorsque la température de l'univers était d'environ 10 milliards de kelvins, soit 1 MeV.

Après découplage, certains neutrinos et antineutrinos ont été libérés sous forme de neutrons convertis en protons et vice versa. La conversion proton → neutron nécessite normalement un environnement à haute énergie, car les neutrons ont plus de masse que les protons. A l'inverse, les neutrons libres sont instables, avec une demi-vie d'un peu plus de 10 minutes. Il y avait aussi des neutrinos produits lors de la nucléosynthèse du Big Bang (qui s'est terminée environ 20 minutes après le Big Bang), alors que l'hydrogène était converti en hélium. La nucléosynthèse BB a nettoyé la plupart des neutrons libres restants.


Voir la vidéo: LES NEUTRINOS - Documentaire Astronomie - HD (Juillet 2021).