[论文解读] 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 56

一句话总结

本文提出，一个11 eV的惰性中微子可使修正牛顿动力学（MOND）与宇宙学观测相协调，通过为星系团提供缺失质量并匹配宇宙微波背景（CMB）功率谱，同时保持星系动力学不变。该模型实现了Ωνs ≈ 0.23的平坦宇宙，并在无需冷暗物质的情况下重现CMB峰形和大尺度物质功率谱。

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.

研究动机与目标

• 解决MOND在星系尺度上成功而无法在无额外暗物质的情况下解释星系团动力学之间的张力。
• 检验一个质量约为11 eV的单一惰性中微子是否能同时满足CMB角功率谱、星系团质量分布和物质功率谱的约束。
• 评估此类惰性中微子是否能为星系团提供足够的暗物质，而不破坏单个星系中重子Tully-Fisher关系。
• 评估在引入惰性中微子后，MOND在宇宙学上的一致性，特别是其是否能匹配观测到的膨胀历史和大尺度结构形成。

提出的方法

• 该模型将MOND引力与一个质量mνs ≈ 11 eV的单一惰性中微子耦合，假设其对总物质密度的贡献为Ωνs ≈ 0.23。
• 使用修改后的Boltzmann代码计算CMB功率谱，并通过调整标量谱指数ns以匹配第一声学峰的振幅。
• 在MOND引力下评估物质功率谱，将惰性中微子作为自由程尺度大于星系的热暗物质组分。
• 该模型假设在宇宙学尺度上MOND效应可忽略，因此惰性中微子在早期宇宙中表现为相对论性、非相互作用组分。
• 中微子质量受Tremaine-Gunn极限和中微子振荡数据约束，表明惰性中微子质量范围为4–18 eV。
• 通过调整参数使模型与CMB和SDSS物质功率谱数据相匹配，与ΛCDM和活性中微子模型进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 一个11 eV的单一惰性中微子是否能在MOND框架内解决星系团中的缺失质量问题，同时不影响星系尺度的动力学？
• RQ2 当Ωνs ≈ 0.23时，引入惰性中微子是否能使MOND重现观测到的CMB角功率谱，特别是第一、第二和第三声学峰？
• RQ3 MOND+惰性中微子模型预测的物质功率谱是否与SDSS等大尺度结构观测一致？
• RQ4 考虑到惰性中微子对星系内部动力学贡献可忽略，该模型是否仍能与孤立星系中的重子Tully-Fisher关系保持一致？
• RQ5 该模型是否能在不依赖冷暗物质的前提下，维持平坦宇宙并匹配ΛCDM的膨胀历史？

主要发现

• 当标量谱指数ns调整为0.965时，质量≈11 eV、Ωνs ≈ 0.23的单一惰性中微子能成功匹配CMB角功率谱，包括第一、第二和第三声学峰。
• 该模型重现了大尺度物质功率谱（在>50 h⁻¹ Mpc尺度上），并避免了ΛCDM中过量的小尺度功率，与MOND在星系尺度上的成功一致。
• 惰性中微子的自由程尺度大于典型星系（约50 kpc），因此不会破坏单个星系的动力学，从而保持了重子Tully-Fisher关系。
• 该模型避免了在星系团中引入额外暗物质组分，因为惰性中微子提供了足够的质量以解释星系团动力学，且不违反星系尺度观测的约束。
• 该模型与宇宙的观测膨胀历史保持一致，因其为平坦宇宙并匹配ΛCDM的膨胀速率，仅在星系尺度上改变引力行为。
• 引入11 eV的惰性中微子解决了MOND在宇宙学上的不一致性，特别是缺乏足够物质以驱动结构形成和CMB各向异性生成的问题，且无需冷暗物质。