Карта всего неба для наилучшей модели «гало + диск» с излучением гамма-линии на 511 кэВ. Изображение предоставлено: INTEGRAL. Нажмите, чтобы увеличить.
Позитрон, антиматериальный аналог электрона, был предсказан Полом Дираком - в то время революционным - квантовым волновым уравнением для электрона. Несколько лет спустя, в 1932 году, Карл Андерсон открыл позитрон в космических лучах, а Дирак получил Нобелевскую премию в 1933 году, а Андерсон - в 1936 году.
Когда позитрон встречается с электроном, они аннигилируют, производя два гамма-луча. Однако иногда аннигиляции предшествует образование позитрония, который похож на атом водорода с заменой протона на позитрон (позитроний имеет свой собственный символ, Ps). Позитроний бывает двух видов, нестабилен и распадается на две гаммы (в течение примерно 0,1 наносекунды) или три (в течение примерно 100 наносекунд).
С 1970-х годов астрономы знают, что во вселенной должно быть много позитронов. Почему? Потому что, когда позитрон и электрон аннигилируют, давая две гаммы, обе имеют одинаковую длину волны, около 0,024 Å или 0,0024 нм (астрономы, как физики элементарных частиц, не говорят о длинах волн гамма-лучей, они говорят об их энергии; 511 КэВ в этом случае). Так что, если вы смотрите на небо с помощью гамма-излучения - конечно, с атмосферы! - Вы знаете, что было много позитронов, потому что вы можете видеть множество гамма-сигналов одного «цвета», 511 кэВ (это похоже на заключение, что во вселенной много водорода, заметив большое количество красного (1,9 эВ) H-альфа в ночное небо).
По спектру трехгаммасного распада позитрония по сравнению с интенсивностью линии 511 кэВ четыре года назад астрономы выяснили, что около 93% позитронов, аннигиляция которых мы видим, образуют позитроний до того, как они распадутся.
Сколько стоит позитрония? В выпуклости Млечного Пути каждую секунду уничтожается около 15 миллиардов (тысяч миллионов) тонн позитронов. Это столько же массы, сколько электронов в десятках триллионов тонн материала, к которому мы привыкли, например, камни или вода; примерно столько же, сколько в среднем астероиде, 40 км в поперечнике.
Анализируя опубликованные данные INTEGRAL (примерно за год), Юрген Кнедлседер и его коллеги обнаружили, что:
- позитроны, которые уничтожаются на диске Млечного Пути, скорее всего, происходят из-за распада бета + (то есть позитрона) изотопов Алюминий-26 и Титан-44, которые сами были созданы в недавних сверхновых (помните, астрономы называют это еще 10 миллионов лет назад). «недавнее»)
- однако в выпуклости Млечного Пути аннулируется больше позитронов, чем в диске, в пять раз
- кажется, нет никаких «точечных» источников.
Конечно, для ИНТЕГРАЛЬНОГО ученого «точечный» источник не имеет такого же значения, как для астронома-любителя! Гамма-зрение в линии позитрония невероятно размыто, объект размером шесть лун (3?) Будет выглядеть как «точка»! Тем не менее, Кнедлседер и его команда астрофизических исследователей могут сказать, что «ни один из источников, которые мы искали, не показал значительного потока в 511 кэВ»; эти 40 «обычных подозреваемых» включают в себя пульсары, квазары, черные дыры, остатки сверхновых, области звездообразования, богатые скопления галактик, спутниковые галактики и блазары. Но они все еще смотрят: «Мы действительно [запланировали] специализированные ИНТЕГРАЛЬНЫЕ наблюдения обычных подозреваемых, таких как сверхновые типа Ia (SN1006, Tycho) и LMXB (Cen X-4), которые могли бы помочь решить эту проблему «.
Итак, откуда 15 миллиардов тонн позитронов, уничтожаемых каждую секунду в выпуклости? «Для меня самое важное в уничтожении позитронов - это то, что главный источник до сих пор остается загадкой», - говорит Кнедлседер. «Мы можем объяснить слабое излучение диска распадом Алюминия-26, но основная масса позитронов находится в выпуклой области Галактики, и у нас нет источника, который мог бы легко объяснить все характеристики наблюдений. В частности, если вы сравните небо 511 кэВ с небом, наблюдаемым на других длинах волн, вы поймете, что небо 511 кэВ уникально! Нет другого неба, похожего на то, что мы наблюдаем ».
Команда INTEGRAL считает, что они могут исключить массивные звезды, коллапсары, пульсары или взаимодействия космических лучей, поскольку, если бы они были источником позитронных выпуклостей, то диск был бы намного ярче в свете с энергией 511 кэВ.
Выпуклые позитроны могут происходить из рентгеновских двойных с малой массой, классических новых звезд или сверхновых типа 1a посредством различных процессов. Задача в каждом случае состоит в том, чтобы понять, как достаточное количество позитронов, созданных ими, может выжить достаточно долго и распространиться достаточно далеко от их мест рождения.
А как насчет космических струн? В то время как недавняя статья Tanmay Vachaspati, предлагающая их в качестве возможного источника позитронных выступов, вышла слишком недавно для Kn? Dlseder et al. рассмотреть для их статьи: «Тем не менее, для меня не очевидно, что у нас достаточно наблюдательных ограничений, чтобы утверждать, что космические струны составляют 511 кэВ; мы даже не знаем, существуют ли космические струны. Нужна уникальная характеристика космических струн, которая исключает все другие источники, и сегодня я думаю, что мы далеки от этого ».
Возможно, самое захватывающее то, что позитроны могут возникать в результате аннигиляции частицы темной материи с малой массой и ее античастицы, или, как Kn? Dlseder et al. положить это «аннигиляция светлой темной материи (1-100 МэВ), как недавно было предложено Boehm et al. (2004), возможно, является самым экзотическим, но также и самым захватывающим кандидатом в источник галактических позитронов ». Темная материя даже более экзотична, чем позитроний; темная материя не является антиматерией, и никто не смог ее уловить, не говоря уже о том, чтобы изучить ее в лаборатории. Астрономы признают, что он вездесущ, и отслеживание его природы является одной из самых горячих тем в астрофизике и физике элементарных частиц. Если миллиарды тонн позитронов в секунду, которые уничтожаются в выпуклости Млечного Пути, не могли быть получены из классических новых или термоядерных сверхновых, то, возможно, виновата старая добрая темная материя.
