[論文レビュー] Are sterile neutrinos consistent with clusters, the CMB and MOND?

G. W. Angus|arXiv (Cornell University)|May 26, 2008

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 56

ひとこと要約

本稿では、11 eVの単一の不活性ニュートリノが、修正ニュートン力学（MOND）と宇宙論的観測を調和させることを提案している。このニュートリノは銀河団における欠落した質量を提供し、宇宙マイクロ波背景（CMB）のパワー スペクトルを再現するが、銀河の力学には影響を与えない。モデルはΩνs ≈ 0.23で平坦な宇宙を実現し、冷たい暗黒物質を必要とせずにCMBのピークと大規模構造の物質パワー スペクトルを再現する。

ABSTRACT

If a single sterile neutrino exists such that $m_{ν_s}\sim11eV$, it can serendipitously solve all outstanding issues of the Modified Newtonian Dynamics. With it one can explain the dark matter of galaxy clusters without influencing individual galaxies, match the angular power spectrum of the cosmic microwave background and potentially fit the matter power spectrum. This model is flat with $Ω_{ν_s}\sim0.23$ and the usual baryonic and dark energy components, thus the Universe has the same expansion history as the $\lcdm$ model and only differs at the galactic scale where the Modified Dynamics outperforms $\lcdm$ significantly.

研究の動機と目的

• MONDが銀河スケールでは成功しているのに対し、追加の暗黒物質なしでは銀河団の力学を説明できないという矛盾を解消すること。
• 質量が約11 eVの単一の不活性ニュートリノが、CMBの角パワー スペクトル、銀河団の質量プロファイル、および物質パワー スペクトルの制約を同時に満たすかどうかを検証すること。
• そのような不活性ニュートリノが、個々の銀河内のバリオンのタルリ＝フィッシャー関係に著しい影響を与えることなく、団における十分な暗黒物質を提供できるかどうかを評価すること。
• 不活性ニュートリノを追加したMONDが、観測された膨張歴および大規模構造形成と整合するかどうかを評価すること。

提案手法

• モデルは、質量mνs ≈ 11 eVの不活性ニュートリノを導入し、全物質密度のΩνs ≈ 0.23を占めるものとする。
• CMBパワー スペクトルは、第1の音響ピークの振幅に一致させるためにスカラースペクトル指数nsを調整した修正ボルツマンコードを用いて計算する。
• 物質パワー スペクトルは、MOND的重力の下で評価され、不活性ニュートリノは自由飛行スケールが銀河よりも大きなホットな暗黒物質成分として組み込まれる。
• モデルは、宇宙論的スケールではMOND効果が無視できるものと仮定し、初期宇宙では相対論的かつ相互作用のない成分として不活性ニュートリノが働くと仮定する。
• ニュートリノ質量はTremaine-Gunn限界およびニュートリノ振動データによって制約され、4–18 eVの範囲にある不活性ニュートリノ質量が示唆されている。
• パラメータを観測ピークに一致させるように調整し、CMBおよびSDSSの物質パワー スペクトルデータを用いて、ΛCDMおよびアクティブなニュートリノモデルと比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 11 eVの単一の不活性ニュートリノが、銀河団における欠落した質量問題をMOND枠組み内で解決できるか、かつ銀河スケールの力学に影響を与えないか？
• RQ2 Ωνs ≈ 0.23の不活性ニュートリノを含めることで、MONDが観測されたCMBの角パワー スペクトル、特に第1、第2、第3の音響ピークを再現できるか？
• RQ3 MOND＋不活性ニュートリノモデルが予測する物質パワー スペクトルは、SDSSなどの大規模構造観測と整合するか？
• RQ4 不活性ニュートリノが個々の銀河の内部力学に顕著に寄与しないことから、孤立銀河におけるバリオンのタルリ＝フィッシャー関係を維持できるか？
• RQ5 冷たい暗黒物質を必要とせずに、平坦な宇宙とΛCDMと一致する膨張歴を維持できるか？

主な発見

• スカラースペクトル指数nsを0.965に調整した場合、質量が約11 eVの単一の不活性ニュートリノとΩνs ≈ 0.23を用いることで、CMBの角パワー スペクトル（第1、第2、第3の音響ピークを含む）を正確に再現できる。
• モデルは大規模スケールの物質パワー スペクトル（スケール>50 h⁻¹ Mpc）を再現し、ΛCDMで見られる小スケールの過剰なパワー生成を回避する。これは、銀河スケールでのMONDの成功と整合する。
• 不活性ニュートリノの自由飛行スケールは通常の銀河（約50 kpc）よりも大きいので、個々の銀河の力学に破壊的影響を与えない。これにより、バリオンのタルリ＝フィッシャー関係が保たれる。
• モデルは、追加の暗黒物質成分を団に必要としない。不活性ニュートリノが、銀河スケールの観測制約に違反せずに、団の力学を説明するのに十分な質量を提供する。
• モデルは、観測された宇宙の膨張歴と整合する。平坦で、ΛCDMの膨張率と一致するが、銀河スケールでの重力が異なる。
• 11 eVの不活性ニュートリノの導入により、MONDの宇宙論的不整合、特に構造形成とCMB非一様性生成に必要な物質量の不足が解消され、冷たい暗黒物質を必要としない。