Nới lỏng các ràng buộc vũ trụ học đối với khối lượng neutrino hiện tại: Tác động của sự ghép đôi đối với nhiễu loạn

Bảng liên kết

• Tóm tắt và giới thiệu
• Kết hợp năng lượng tối với neutrino
• Tác động của khớp nối đối với nhiễu loạn và quan sát được
• Ước tính tham số
• Cuộc thảo luận
• Lời cảm ơn, Phụ lục và Tài liệu tham khảo

III. TÁC ĐỘNG CỦA KHỚP NỐI ĐẾN NHIỆT ĐỘ VÀ CÓ THỂ QUAN SÁT

A. Phương trình nhiễu loạn

Mật độ năng lượng nhiễu loạn và áp suất của các neutrino tương tác đã được rút ra từ các nghiên cứu trước đây (xem ví dụ [16, 19, 20]):

trong đó ứng suất dị hướng neutrino σν [46] không bị thay đổi bởi sự ghép nối. Chúng tôi đã điều chỉnh các phương trình gần đúng chất lỏng của vật chất tối không lạnh trong mã LỚP cho phù hợp

Ở sâu trong chế độ phi tương đối tính, khi wν = 0, tỷ số q/ϵ biến mất một cách tiệm cận và các nhiễu loạn áp suất trong chất lỏng neutrino, cũng như ứng suất cắt, trở nên không đáng kể đối với nhiễu loạn mật độ. Các phương trình liên tục và Euler tương tự như các phương trình của mô hình vật chất tối lạnh kết hợp [26, 48],

Đối với trường vô hướng ghép, phương trình chuyển động của các dao động như sau,

Như trong nền, chúng tôi phát triển các nhiễu loạn trường với tiềm năng thông qua phương trình trên trong phiên bản mã LỚP của chúng tôi.

B. Ảnh hưởng đến phổ năng lượng vật chất

Có ba giai đoạn chính trong quá trình tiến triển của độ tương phản mật độ neutrino bị ảnh hưởng bởi sự ghép nối. Trong kỷ nguyên bức xạ thống trị, khi các neutrino bị tách khỏi bể nhiệt nhưng vẫn có tính tương đối, thì nhiễu loạn của chúng tăng lên thành bức xạ. Sau đó, các neutrino trở nên phi tương đối và tụ tập trong các giếng thế hấp dẫn của vật chất tối lạnh, là thành phần vũ trụ chiếm ưu thế. Tuy nhiên, dưới quy mô phát dòng tự do, chúng không tụ lại như vật chất tối lạnh [1]. Sự truyền phát tự do neutrino làm giảm sự dao động của neutrino lên đến thang đo tới hạn tùy thuộc vào khối lượng neutrino và đưa ra mô hình dao động như trong bảng bên trái của Hình 4. Số sóng truyền phát tự do của chế độ Fourrier đạt mức tối thiểu ở quá trình chuyển đổi phi tương đối tính, cho trước bởi [2]

trong quá trình thống trị vật chất hoặc năng lượng tối. Hoặc tương đương, sử dụng Eqs. (2.22) và (2.23), ta có

cho việc tham số hóa trường vô hướng cụ thể của chúng tôi. Trên độ dài truyền tự do, các dao động neutrino phát triển không bị cản trở. Đối với khối lượng neutrino đang tăng (β > 0, đường đứt nét màu xanh lá cây), thang đo dòng tự do trong phương trình (3.14) lớn hơn và sự tăng của các dao động bị trì hoãn đối với khối lượng neutrino co lại (β < 0, đường đứt nét màu cam ).

Hơn nữa, sự phụ thuộc của khối lượng neutrino vào β làm thay đổi tỷ lệ vật chất mà các thăng giáng của nó không tăng lên như vật chất tối lạnh ở một thang đo nhất định. Các neutrino không góp phần tạo ra các giếng tiềm năng dưới quy mô dòng chảy tự do, và tất cả sự hình thành cấu trúc đều bị cản trở vì các giếng hấp dẫn không sâu như khi chúng chỉ có vật chất phi tương đối tính.

Hơn nữa, phần năng lượng tối không đáng kể (λ ̸= 0 và β = 0, vạch liền màu xanh lam) càng làm giảm sự tăng trưởng của các biến động trong quá trình vật chất thống trị, dẫn đến triệt tiêu năng lượng nhiều hơn. Mặt khác, phổ công suất vật chất ở quy mô nhỏ còn phụ thuộc vào khối lượng neutrino trong quá khứ lớn đến mức nào. Khối lượng neutrino tăng (β > 0, đường đứt nét màu xanh lá cây) làm giảm lực triệt tiêu do trường vô hướng gây ra, trong khi khối lượng neutrino co lại làm tăng lực triệt tiêu (β < 0, đường đứt nét màu cam).

D. Ảnh hưởng đến khả năng thấu kính CMB

Bởi vì các neutrino truyền tự do xóa bỏ nhiễu loạn mật độ, chúng ảnh hưởng đến ánh sáng CMB bị biến dạng bởi thấu kính hấp dẫn gây ra bởi sự phân bố vật chất can thiệp giữa chúng ta và bề mặt tán xạ cuối cùng [49]. Các neutrino làm giảm thế thấu kính CMB, đây là thước đo tích phân của thế năng hấp dẫn dọc theo đường ngắm giữa thời điểm tái hợp và thời điểm hiện tại. Tác dụng của thấu kính yếu là làm mịn phổ công suất của dị hướng nhiệt độ CMB ở quy mô nhỏ. Lưu ý trong Hình 6 rằng do hiệu ứng tỷ lệ thuận với mật độ năng lượng của neutrino, nên nó có thể hạn chế khối lượng của chúng, sự tiến hóa vũ trụ của chúng được kiểm soát bởi hai tham số λ và β. Ví dụ, nếu khối lượng neutrino quá cao trong quá khứ gần đây thì chúng ta sẽ có ít thấu kính hơn so với những gì chúng ta quan sát được. Sự triệt tiêu vốn đã gây ra bởi trường vô hướng (β = 0, đường cong liền nét màu xanh lam) được tăng cường bằng cách giảm khối lượng neutrino (β < 0, đường đứt nét màu cam) hoặc được bù bằng cách tăng khối lượng neutrino (β > 0, đường đứt nét màu xanh lá cây) .

Điều đáng chú ý là, trái ngược với tham số hóa độc lập mô hình đối với sự biến thiên khối lượng neutrino được nghiên cứu trong Tài liệu tham khảo. [20], chúng tôi không tìm thấy sự bất ổn ở quy mô lớn trong mô hình của chúng tôi [50], điều này sẽ được kích hoạt bởi các giá trị ghép lớn khiến nhiễu loạn neutrino tăng nhanh ở quy mô lớn nhất có thể quan sát được.