Mapa całego nieba najlepiej pasującego modelu „halo + dysk” emisji linii promieniowania gamma 511 keV. Źródło zdjęcia: INTEGRAL. Kliknij, aby powiększyć.
Pozyton, antymaterialny odpowiednik elektronu, został przewidziany przez Paula Diraca - wówczas rewolucyjne - równanie fali kwantowej dla elektronu. Kilka lat później, w 1932 r., Carl Anderson odkrył pozyton w promieniach kosmicznych, a Dirac otrzymał Nagrodę Nobla w 1933 r., A Anderson w 1936 r.
Kiedy pozyton styka się z elektronem, anihilują, wytwarzając dwa promienie gamma. Czasami jednak anihilacja poprzedza powstanie pozytronium, które jest jak atom wodoru z protonem zastąpionym pozytronem (pozytronium ma swój własny symbol, Ps). Positronium występuje w dwóch postaciach, jest niestabilny i rozpada się na dwie gamma (w ciągu około 0,1 nanosekundy) lub trzy (w ciągu około 100 nanosekund).
Astronomowie wiedzą od lat 70. XX wieku, że we wszechświecie musi być dużo pozytonów. Dlaczego? Ponieważ gdy anihilat pozytonu i elektronu dają dwa gamma, oba mają tę samą długość fali, około 0,024 Å lub 0,0024 nm (astronomowie, podobnie jak fizycy cząstek, nie mówią o długościach fal promieniowania gamma, mówią o swojej energii; 511 keV w tym przypadku). Tak więc, jeśli spojrzysz na niebo za pomocą promieniowania gamma - oczywiście z atmosfery! - wiesz, że było dużo pozytonów, ponieważ możesz zobaczyć wiele gamma jednego „koloru”, 511 keV (to podobne do wniosku, że we wszechświecie jest dużo wodoru, zauważając dużo czerwonej (1,9 eV) H alfa w nocne niebo).
Na podstawie spektrum rozpadu pozytronu w zakresie trzech gamma, w porównaniu z intensywnością linii 511 keV, astronomowie cztery lata temu ustalili, że około 93% pozytronów, których anihilację widzimy, tworzy się z pozytronium przed rozpadem.
Ile pozytronium? W wybrzuszeniu Drogi Mlecznej co 15 sekund unicestwia się około 15 miliardów (tysięcy milionów) ton pozytonów. To tyle, ile elektronów w dziesiątkach trylionów ton rzeczy, do których jesteśmy przyzwyczajeni, takich jak skały lub woda; mniej więcej tyle, ile w średniej wielkości asteroidzie o średnicy 40 km.
Analizując publicznie opublikowane dane INTEGRAL (o wartości około jednego roku), Jgengen Knölseder i jego koledzy stwierdzili, że:
- pozytony, które są anihilowane na dysku Drogi Mlecznej, najprawdopodobniej pochodzą z rozpadu beta + (tj. pozytron) izotopów Aluminium-26 i Tytanu-44, które same zostały wyprodukowane w ostatnich supernowych (pamiętajcie, astronomowie nazywają nawet 10 milionów lat temu 'niedawny')
- jednak więcej pozytonów jest anihilowanych w wybrzuszeniu Drogi Mlecznej niż w dysku, pięciokrotnie
- wydaje się, że nie ma żadnych źródeł „punktowych”.
Oczywiście dla naukowca INTEGRAL źródło „punktowe” nie ma takiego samego znaczenia jak dla amatorskiego astronoma! Widzenie promieniami gamma w linii pozytronowej jest niewiarygodnie rozmyte, obiekt o średnicy sześciu księżyców (3?) Wyglądałby jak „punkt”! Niemniej jednak Knülseder i jego zespół śledczych astrofizyki są w stanie powiedzieć, że „żadne z poszukiwanych przez nas źródeł nie wykazywało znaczącego strumienia 511 keV”; tych 40 „zwykłych podejrzanych” obejmuje pulsary, kwazary, czarne dziury, pozostałości po supernowych, regiony tworzące gwiazdy, bogate gromady galaktyk, galaktyki satelitarne i blazary. Ale wciąż szukają: „Rzeczywiście [zaplanowaliśmy] dedykowane INTEGRALNE obserwacje zwykłych podejrzanych, takich jak supernowe typu Ia (SN1006, Tycho) i LMXB (Cen X-4), które mogą pomóc rozwiązać ten problem . ”
Skąd więc bierze się 15 miliardów ton pozytonów niszczonych co sekundę w wybrzuszeniu? „Dla mnie najważniejszą rzeczą w anihilacji pozytonów jest to, że głównym źródłem wciąż pozostaje tajemnica”, mówi Knaldseder. „Możemy wyjaśnić słabą emisję z dysku przez rozpad aluminium-26, ale większość pozytonów znajduje się w wybrzuszonym obszarze Galaktyki i nie mamy źródła, które z łatwością mogłoby wyjaśnić wszystkie cechy obserwacyjne. W szczególności, jeśli porównasz niebo 511 keV z niebem obserwowanym przy innych długościach fal, zauważysz, że niebo 511 keV jest wyjątkowe! Nie ma innego nieba podobnego do tego, co obserwujemy. ”
Zespół INTEGRAL uważa, że mogą wykluczyć interakcje między masywnymi gwiazdami, zapadnięciami, pulsarami lub promieniami kosmicznymi, ponieważ gdyby były one źródłem pozytonów wybrzuszonych, dysk byłby znacznie jaśniejszy w świetle 511 keV.
Pozytrony wypukłe mogą pochodzić z binarnych układów rentgenowskich o niskiej masie, klasycznych nowych lub supernowych typu 1a, w wyniku różnych procesów. W każdym przypadku wyzwaniem jest zrozumienie, w jaki sposób wytworzone przez nie wystarczające pozytony mogą przetrwać wystarczająco długo i rozproszyć się wystarczająco daleko od swoich miejsc urodzenia.
Co z kosmicznymi strunami? Podczas gdy ostatni artykuł Tanmaya Vachaspatiego, w którym zaproponowano je jako potencjalne źródło pozytonów wypukłych, pojawił się zbyt niedawno dla Knredsedera i in. zastanowić się nad swoją pracą: „Jednak dla mnie nie jest oczywiste, że mamy wystarczające ograniczenia obserwacyjne, aby stwierdzić, że łańcuchy kosmiczne wytwarzają 511 keV; nie wiemy nawet, czy istnieją kosmiczne struny. Potrzebna byłaby unikalna cecha kosmicznych strun, która wyklucza wszystkie inne źródła, i myślę, że dziś daleko nam do tego. ”
Być może najbardziej ekscytujące, pozytony mogą pochodzić z anihilacji drobnoziarnistej cząstki ciemnej materii i jej antycząstki, lub jak Knidlseder i in. mówiąc: „Anihilacja jasnej ciemnej materii (1-100 MeV), jak ostatnio zasugerowali Boehm i in. (2004), jest prawdopodobnie najbardziej egzotycznym, ale także najbardziej ekscytującym kandydatem na źródło galaktycznych pozytonów ”. Ciemna materia jest jeszcze bardziej egzotyczna niż pozytronium; ciemna materia nie jest antymaterią i nikt nie był w stanie jej uchwycić, nie mówiąc o badaniu jej w laboratorium. Astronomowie akceptują to, że jest wszechobecny, a śledzenie jego natury jest jednym z najgorętszych tematów zarówno w astrofizyce, jak i fizyce cząstek. Jeśli miliardy ton pozytonów, które są anihilowane w wybrzuszeniu Drogi Mlecznej na sekundę, nie mogły pochodzić z klasycznych nowych lub supernowych termojądrowych, być może winna jest być może stara, dobra ciemna materia.
