Влияние нейтрино на крупномасштабную структуру Вселенной

Нейтрино — фундаментальные частицы с крайне малой массой, не имеющие электрического заряда и взаимодействующие с веществом исключительно через слабое ядерное взаимодействие и гравитацию. Несмотря на слабое взаимодействие с обычной материей, нейтрино играют ключевую роль в формировании крупномасштабной структуры Вселенной благодаря своим кинематическим и статистическим свойствам.

Ключевые аспекты:

• Малые массы: Экспериментальные данные и наблюдения осцилляций нейтрино указывают на то, что их массы находятся в диапазоне от долей эВ до нескольких эВ. Это делает их важным компонентом горячей темной материи.
• Реликтовое излучение нейтрино: После 1 секунды после Большого взрыва нейтрино рассеиваются и формируют фон, аналогичный реликтовому фотонному излучению, но с температурой ~1.95 K.
• Свободное распространение: Благодаря высокой скорости (близкой к скорости света для малых масс) нейтрино практически не подвержены гравитационным возмущениям на малых масштабах, что оказывает влияние на рост плотностных возмущений.

Влияние на рост структур

Нейтрино вносят существенные коррективы в эволюцию плотностных возмущений материи. Основное влияние проявляется через их сглаживающее действие на малых масштабах.

• Горячая компонента темной материи: Нейтрино с малой массой остаются релятивистскими на ранних этапах формирования структуры Вселенной. Их высокая скорость приводит к смыванию мелкомасштабных плотностных возмущений.
• Длина свободного пробега: Для нейтрино с массой ~0.1 эВ характерный масштаб свободного пробега составляет порядка сотен мегапарсек. На масштабах меньше этого расстояния рост структур замедляется, что проявляется в дефиците мелких галактик и структур по сравнению с холодной темной материей.
• Влияние на спектр плотности: Наличие нейтрино уменьшает амплитуду флуктуаций на малых масштабах, что отражается в линиях спектра мощности LSS (Large Scale Structure) и в наблюдаемой структуре распределения галактик.

Взаимодействие с космологическими наблюдениями

Нейтрино оставляют косвенные следы, которые можно проследить через различные астрономические наблюдения:

1. Космический микроволновый фон (CMB):

   • Нейтрино влияют на скорость расширения Вселенной на ранних этапах, что сказывается на аккуратной форме акустических пиков CMB.
   • Количество эффективных степеней свободы нейтрино (N_eff) определяет соотношение амплитуд пиков и положение горизонта звуковых волн.

2. Крупномасштабная структура (LSS):

   • Через спектр мощности распределения галактик можно выявить дефицит малых масштабов, характерный для горячей составляющей нейтрино.
   • Современные наблюдения LSS позволяют ограничивать суммарную массу всех типов нейтрино, сейчас это <0.12–0.15 эВ.

3. Линейный и нелинейный рост плотностных возмущений:

   • На больших масштабах (>100 Мпк) нейтрино ведут себя почти как холодная темная материя, а на малых масштавах их свободное распространение подавляет флуктуации.
   • В моделях N-body симуляций включение нейтрино требует учета их кинетических свойств для точного моделирования структуры.

Моделирование эффекта нейтрино в космологии

Для количественного описания влияния нейтрино используется сочетание линейной теории и численных симуляций:

• Линейная теория возмущений: Уравнения Больцмана для многокомпонентной системы (темная материя, барионы, фотоны, нейтрино) позволяют получить временную эволюцию спектра плотности δ(k,t) для каждого компонента.

• Симуляции N-body:

  • Для холодной темной материи используется стандартная N-body динамика.

  • Для нейтрино применяются гибридные методы:

    • “Particle method” — эволюция частиц нейтрино вместе с частицами темной материи.
    • “Linear response” — линейная аппроксимация влияния нейтрино на потенциал плотности.

• Последствия для структуры галактик и кластеров:

  • Подавление плотности на малых масштабах влияет на формирование малых галактик и внутреннюю структуру галактических гало.
  • Масса нейтрино определяет характер «сглаживания» распределения вещества.

Нейтрино и будущее наблюдательной космологии

Современные и будущие эксперименты, такие как Euclid, LSST, CMB-S4, направлены на точное измерение влияния нейтрино на крупномасштабную структуру:

• Планируется определить суммарную массу нейтрино с точностью до 0.02 эВ.
• Комбинированные наблюдения LSS и CMB позволят различить влияние нормальной и иерархической структуры масс нейтрино.
• Ожидается, что данные позволят подтвердить или исключить гипотезу горячей темной материи как значимого компонента, влияющего на формирование галактик.