Fortsetzung der coolen Fragen und Antworten zur Physik in den Threads Wo sind all die langsamen Neutrinos? , Ist es möglich, dass jeder "spontane Kernzerfall" tatsächlich durch "langsame Neutrinos" induziert wird? , und Wie sieht der kosmische Neutrinohintergrund heute aus, wenn man bedenkt, dass Neutrinos Masse besitzen? , ich habe eine Folgefrage, die sich aus dieser Antwort auf die letzte Frage ergibt.
Genauer gesagt, der Urknall muss als Nebeneffekt der Entstehung all dieser Materie eine Reihe von Neutrinos und Antineutrinos produziert haben, die sich ab einem bestimmten Punkt von der Materie abkoppeln und einfach ungehindert durch den Weltraum fliegen würden. Im Laufe der Zeit würden diese Neutrinos genau wie der kosmische Mikrowellenhintergrund rotverschoben, um bei einer Temperatur von etwa einen kosmischen Neutrinohintergrund zu bilden .
Abhängig von den Neutrinomassen könnte dies eine Reihe von Geschwindigkeiten bedeuten, aber wenn die Neutrinos relativ massiv sind, um Robs Antwort zu zitieren, dann sind sie es
würde typische Geschwindigkeiten von unter 100 km/s haben, langsamer als die Fluchtgeschwindigkeit einiger Sterne. Kalte Neutrinos könnten sich daher in Gravitationsschächten ansammeln, was zu einer erheblichen Dichteerhöhung über den Durchschnitt von 100 ν/cm³ führt, den man über dem intergalaktischen Raum erwartet.
Nun zu dieser Ansammlung in Gravitationsbrunnen habe ich eine ähnliche Frage wie Robs späterer Kommentar:
(Ich bin mir nur ein bisschen unsicher darüber, wie die kalten Neutrinos ohne Streuung eingefangen werden, aber ich bin bereit zu glauben, dass dies in der Literatur diskutiert wird.)
Im Gegensatz dazu tappe ich völlig im Dunkeln darüber, wie die kalten Neutrinos ohne Streuung eingefangen werden. Sie haben dieses kleine Teilchen, das nur gravitativ interagiert und mit einer Geschwindigkeit im Unendlichen in der Größenordnung (aber kleiner als) der Fluchtgeschwindigkeit auf einen Stern zukommt. Unter normalen Umständen nähert sich das Teilchen dem Stern ... und saust wieder davon, auf einer hyperbolischen Flugbahn, die am Ende mit der gleichen asymptotischen Geschwindigkeit endet, mit der es hereingekommen ist. Wenn es einen dritten Körper gibt, mit dem man interagieren kann, wird er möglicherweise in eine gebundene Umlaufbahn abgelenkt, aber ohne sinnvolle Wechselwirkungen außer der Schwerkraft scheint es mir sehr unwahrscheinlich, dass dies bei einer astronomisch großen Anzahl von Neutrinos funktioniert.
Was ist die grobe Physik hinter dem Einfangen dieser massiven kalten Neutrinos in einem Gravitationsschacht?
Es erfordert, dass sie irgendwie Energie verlieren (um hyperbolische Umlaufbahnen in periodische umzuwandeln).
Es stehen zwei grundlegende Mechanismen zur Verfügung: Gravitationsstreuung und schwache Streuung. In beiden Fällen erwarten wir eine elastische Wechselwirkung, aber das bedeutet nicht, dass das Neutrino nach der Wechselwirkung so viel kinetische Energie im Rahmen des Sterns hat wie zuvor: Es könnte etwas an die anderen Teilnehmer abgeben. Dieser Effekt ist notwendigerweise sehr, sehr langsam.
Denken Sie bei der Gravitationsstreuung an den Gravitationsschub, aber eher in Richtung des Energieverlusts als in Richtung des Energiegewinns, wie wir es normalerweise auf Raumfahrzeuge anwenden.
Für die schwache Streuung gilt die gleiche Grundidee: Solange sich das Impulszentrum mit der Anfangsrichtung des Neutrinos im Koordinatensystem des Sterns bewegt, wird das Neutrino nach der Wechselwirkung im stellaren Koordinatensystem weniger Energie haben als zuvor.
In beiden Fällen gewinnt das baryonische Materiemitglied der Streuung Energie, aber es kann diese Energie mit weltlichen Mitteln ausstrahlen, was etwas ist, was das Neutrino selbst nicht tun könnte. Die Neutrinos können also abkühlen, indem sie Energie auf die baryonische Materie übertragen, die sich auf die übliche Weise abkühlt. Natürlich kühlen Neutrinos langsamer ab als gewöhnliche Materie, da ihr Kopplungskanal sehr schwach ist.
Die große Frage lautet : „Sollte das Neutrino nicht ungefähr so oft Energie gewinnen, wie es sie verliert?“ , und ich denke, die Antwort ist ja. Aber das führt zu einer Verteilung von Energiegewinnen und -verlusten, und wir betrachten das unterschiedliche Schicksal der beiden Enden dieser Verteilung. Diejenigen, die Energie aufnehmen , verlassen die Nähe des Sterns, während einige, die Energie verlieren, von "kaum hyperbolisch" auf "kaum elliptisch" gekippt werden können oder, wenn sie bereits eingefangen sind, etwas stärker gebunden werden. Wie üblich kühlt das System so stark ab, dass es seine energiereichsten Mitglieder ausstößt, indem es Energie an die baryonische Komponente des Systems abgibt, die durch elektromagnetische Mittel abgestrahlt wird.
Ich habe ein wenig mehr darüber nachgedacht, seit ich Ihre Frage aufgeworfen habe, und es gibt ein paar andere Komplikationen, die es wert sind, erwähnt zu werden. Dies ist vielleicht eher ein Kommentar als eine Antwort, aber es ist zu lang für einen Kommentar.
Erstens, und direkt zu Ihrer Frage: Der kosmische Neutrino-Hintergrund ist bereits vorhanden, bevor sich der Gravitationsschacht der Sterne bildet. Wenn Sie die Hypothese eines Gases aus kalten Neutrinos im thermischen Gleichgewicht bei 2 Kelvin mit typischen Geschwindigkeiten von 100 km/s akzeptieren, durchdringen diese Neutrinos Sternentstehungsgebiete mit geringer Fluchtgeschwindigkeit. Die dichten Regionen um die Sterne herum entwickeln sich ohne Wechselwirkung mit den Neutrinos, und die Neutrinos finden sich gefangen.
Stellen Sie sich für eine klassische Analogie vor, Sie reiten auf einem Schurkenplaneten A, der an keinen Stern gebunden ist. Stern B, gravitativ ungebunden von Ihnen, nähert sich von Norden, und Stern C, ebenfalls gravitativ ungebunden, nähert sich von Süden. Eine Interaktion mit einem der beiden Sterne allein würde Sie auf eine hyperbolische Umlaufbahn werfen. Wenn jedoch B und C kollidieren und so verschmelzen, dass ihre Geschwindigkeit relativ zu Ihnen Null ist, finden Sie und Ihr Schurkenplanet sich gravitativ an das neue Objekt gebunden, ohne mit ihm interagiert zu haben. Dies ist im Wesentlichen das Szenario, mit dem kalte Neutrinos in Sternentstehungsgebieten konfrontiert sind.
Dieses einfache Einfangen führt jedoch zu keiner Verbesserung der Relikt-Neutrinodichte um Sterne im Vergleich zum Hintergrunddurchschnitt. Es sagt nur, dass Sie die Neutrinos, die in der Nähe sind, behalten werden, wenn der Stern entsteht.
Zweitens gibt es Streuung. Es gibt Gravitationsstreuung, Streuung des geladenen Stroms an gewöhnlicher Materie und Streuung des neutralen Stroms zwischen den Neutrinos. All diese sind natürlich winzig, aber es sind viele Neutrinos beteiligt (siehe auch den nächsten Punkt). Ein Streuereignis zwischen zwei Neutrinos in einem Gravitationsschacht kann dazu führen, dass eines aus dem Schacht herausgeschleudert und das andere fester gebunden wird. Dieser Prozess kann Ihnen im Laufe der Zeit eine allmähliche Erhöhung der Dichte "eingefangener" Neutrinos ermöglichen, obwohl das Setzen eines quantitativen Ausdrucks auf "allmählich" den Rahmen dieser Antwort sprengen würde (und wahrscheinlich bereits in der Literatur enthalten ist).
Drittens und am ärgerlichsten: Vergessen Sie nicht, dass Neutrinos der Fermi-Dirac-Statistik gehorchen. Weiße Zwerge sind bei gleicher Masse größer als Neutronensterne, weil Elektronen weniger massereich als Neutronen sind, also die entartete Anzahldichte für Elektronen geringer ist. Kalte Neutrino-Materie wird bei überraschend niedrigen Dichten entartet ( eine Schätzung ). Jede richtige Diskussion über gebundene CνB-Neutrinos muss dies berücksichtigen.
Wie in diesem Artikel erläutert , ist der dominante Effekt auf Gravitationswechselwirkungen zurückzuführen, die zu Überdichten bis zu einem Faktor von führen können für Neutrinomassen in der Größenordnung von 1 eV. Die Anhäufung von Reliktneutrinos kann gut mit der kollisionsfreien Boltzmann-Gleichung (Vlasov-Gleichung) modelliert werden, bei der sich die Dichten unter dem Einfluss des Gravitationspotentials entwickeln, was wiederum die Poisson-Gleichung erfüllt.
Das gekoppelte System der Vlasov- und Poison-Gleichungen enthält die gesamte relevante Physik, wie Neutrinos aufgrund der Verstärkung lokaler Überdichten eingefangen werden. Wenn Sie haben gravitativ gebundene Teilchen und ein anderes Teilchen kommt hinzu, kann es Energie verlieren, indem es gravitativ mit einer Überdichte wechselwirkt, aufgrund einer Anhäufung einer Teilmenge von diesen Partikel und werden dann im Gravitationspotential der größeren Gruppe von Partikeln gefangen Partikel.
ProfRob