Warum werden Neutrinos als Hauptbestandteil (oder sogar einziger) Bestandteil der Dunklen Materie ausgeschlossen?

Wir wissen, dass Materie zu Beginn gleichmäßig verteilt war, weil der kosmische Mikrowellenhintergrund außerordentlich homogen ist. Und doch wissen wir, dass die ersten Galaxien kaum eine halbe Milliarde Jahre nach dem Urknall entstanden . Die Aggregation von Materie zu großen Gravitationsstrukturen war also außerordentlich schnell.

Es ist relativ einfach zu modellieren, wie schnell die im CMB beobachteten Störungen gewachsen wären, indem verschiedene Bedingungen wie die Dichte der Materie berücksichtigt wurden, und im Allgemeinen ist die Wachstumsrate schnell genug, wenn wir mit kalter dunkler Materie beginnen. NB: Sichtbare Materie hätte alleine nicht so schnell Galaxien erschaffen können, weil ihre Dichte einfach nicht groß genug ist. Die Galaxien bildeten sich so schnell, weil die dunkle Materie mit viel höherer Dichte gravitativ gebundene Strukturen bilden konnte und die baryonische Materie ihr in die Vertiefungen folgte.

Beim Urknall wurden Neutrinos jedoch mit relativistischen Geschwindigkeiten erzeugt, und es ist äußerst schwierig, gravitativ gebundene Strukturen aus sich schnell bewegenden Objekten zu bilden. Die Geschwindigkeit der Objekte wird immer weit über den lokalen Fluchtgeschwindigkeiten liegen. Wenn alle dunkle Materie Neutrinos wären, würde es eine enorme Zeit dauern, gravitativ gebundene Strukturen zu bilden, weil es für Neutrinos äußerst schwierig ist, ihre Energie zu verlieren und ausreichend zu verlangsamen.

Und deshalb kann die dunkle Materie keine Neutrinos sein. Es ist nicht so, dass die Neutrinos in irgendeiner Weise baryonische Materie daran hindern, gravitativ gebundene Strukturen zu bilden, sondern dass baryonische Materie die Hilfe der Dunklen Materie benötigt, um diese Strukturen schnell genug zu bilden. Neutrinos hätten diese Hilfe nicht leisten können.

Die Energiedichte der Dunklen Materie des Universums wird derzeit auf etwa das Fünffache der Energiedichte der baryonischen Materie geschätzt. Dabei ist die Strahlungsenergiedichte nahezu vernachlässigbar. Materieenergie macht etwa 4,5 % der gesamten Energiedichte des Universums aus. Dunkle Materie macht etwa 23 % aus, und Strahlung ist mit etwa 0,009 % sehr gering. Die Strahlungszahl wurde unter Einbeziehung aller relativistischen Teilchen, einschließlich Neutrinos, berechnet. Wenn Sie diesen Link durchgehen und lesen , wird die Berechnung der gesamten Neutrino-Energiedichte detailliert und zeigt, dass sie auf etwa 68% der Photonenenergiedichte geschätzt wird. Die 0,009 % des Universums, die relativistische Teilchen sind, sind also nicht einmal hauptsächlich Neutrinos.

Mein Punkt? Es gibt einfach nicht genug Neutrinos da draußen, um dunkle Materie als Neutrinos zu erklären. Nicht nur das, sondern wir haben sie offensichtlich bereits in die Berechnung einbezogen. Dunkle Materie macht 22,7 % (Geben oder Nehmen) der Energiedichte des Universums aus. Und das kommt zu den weniger als 0,0036 % hinzu, die Neutrinos ausmachen. Es besteht also keine Möglichkeit, dass Neutrinos eine Hauptkomponente, geschweige denn die einzige Komponente der Dunklen Materie sein könnten.

Für eine Übersicht der Energiedichten siehe Wikipedia und darin enthaltene Links

Um Ihre Frage zum "Auswaschen" zu beantworten, erklärt der Wikipedia-Artikel über Dunkle Materie dies sehr gut. Damit sich kleine Strukturen bilden können, ist dunkle Materie erforderlich, um baryonische Materie durch Gravitation zu binden. Allerdings ist die kostenlose Streaming-Längejedes Kandidatenteilchens, das dies bewerkstelligt, muss klein sein. Die freie Strömungslänge ist die Entfernung, die die Teilchen im frühen Universum aus zufälligen Bewegungen zurücklegen, bevor die Expansion sie verlangsamt. Primordiale Dichtefluktuationen liefern die Keime für die Bildung kleinräumiger Strukturen, aber wenn die freie Strömungslänge des Kandidatenteilchens der Dunklen Materie größer ist als die Größenordnung der kleinen primordialen Störungen, dann werden diese Störungen als homogenisiert (oder „ausgewaschen“) Teilchen kommunizieren und gleichen sich aus. Ohne die Störungen gibt es keinen Keim für die kleinräumige Struktur und somit bildet sie sich nicht.

Jetzt fragen Sie sich vielleicht, warum dunkle Materie überhaupt benötigt wird, damit sich kleine Strukturen bilden können. Nach dem Urknall hatte gewöhnliche baryonische Materie zu viel Temperatur und Druck, um von selbst zu einer Struktur zu kollabieren. Es erfordert einen Gravitationssamen (wie einen Kickstart, um den Gravitationskollaps in Gang zu bringen), was bedeutet, dass es eine Störung in der Dichte einer kälteren, weniger wechselwirkenden Form von Materie geben muss, um diesen Samen bereitzustellen; das heißt, eine lokale Dichte dieser kalten dunklen Materie, die höher ist als der Hintergrundwert. Diese Störungen würden aufgrund der ursprünglichen Dichtestörungen gebildet, die von der Inflation übrig geblieben sind. Neutrinos sind jedoch dafür bekannt, dass sie eine hohe freie Strömungslänge haben, daher würden sie diese Störungen in ihrer eigenen Dichte glättenund Sie würden keine lokale Region mit hoher Dichte erhalten, die als Saat dienen könnte. Kein Samen bedeutet keinen Zusammenbruch. Kein Zusammenbruch bedeutet keine kleine Struktur (bis es viel zu spät ist). Neutrinos sind eigentlich der Hauptkandidat für heiße dunkle Materie, aber sie sind keine brauchbare Überlegung für kalte dunkle Materie, was notwendig ist, um eine ausreichend kleine Strukturbildung zu erzeugen.