Антиматерия покидает Млечный Путь, что углубляет древнейшую загадку астрономии

Фото из открытых источников

Что-то не так с центром Млечного пути. На протяжении десятилетий астрономы ломали голову над огромной популяцией антиматериальных частиц, или позитронов, которые сталкиваются с электронами и аннигилируют, испуская вспышки гамма-лучей вокруг центра нашей галактики.

Проблема в том, что известные астрофизические источники не могут объяснить, сколько позитронов, по-видимому, производит Млечный Путь, — и теперь пара физиков представила доказательства, которые могут усугубить эту проблему.

Согласно новой статье Томаса Зигерта из Вюрцбургского университета имени Юлиуса Максимилиана (Германия) и Хироки Йонеды из Киотского университета (Япония), гамма-излучение, связанное с аннигиляцией материи и антиматерии, возможно, впервые было обнаружено за пределами Млечного пути. Результаты исследования опубликованы в журнале Astronomy & Astrophysics.

По меньшей мере одно местоположение указывает на то, что некоторые позитроны могут покидать диск Млечного пути, прежде чем аннигилировать. Если это правда, то это может означать, что Млечный Путь производит значительно больше антиматерии, чем указывалось в предыдущих оценках.

«Это будет первое обнаружение внегалактической аннигиляции позитронов», — сказал Зигерт. «Это само по себе означало бы, что содержание позитронов в Млечном пути намного больше, чем то, что в настоящее время наблюдается «внутри»».

Позитроны — это антиматериальный аналог электронов: они несут ту же массу и спин, но противоположный электрический заряд. При встрече позитрона и электрона происходит взаимное аннигилирование с образованием гамма-лучей, характерной энергией которых является 511 килоэлектронвольт.

Астрономы десятилетиями картировали это излучение по всей Галактике Млечный Путь, чтобы выявить очаги аннигиляции позитронов, но эти очаги породили сложную загадку. Оказывается, аннигилирующих позитронов гораздо больше, чем могут объяснить известные астрофизические источники.

Даже с учетом позитронов, образующихся в результате действия радиоактивных изотопов, сформировавшихся при звездных взрывах, в черных дырах, нейтронных звездах и других энергетических объектах, наблюдаемый сигнал аннигиляции по-прежнему не может быть полностью объяснен.

Космический телескоп INTEGRAL Европейского космического агентства более 20 лет, с 2002 года до завершения миссии в 2025 году, наблюдал за гамма-излучением неба.

Зигерт и Йонеда анализировали полный набор данных INTEGRAL, чтобы составить самые подробные на сегодняшний день карты излучения Млечного пути в диапазоне 511 кэВ, когда заметили нечто странное.

«Мы пытались понять, что здесь может пойти не так», — объяснил Зигерт. «Например, мы разделили набор данных на 3-летние интервалы, затем сравнили полученные изображения друг с другом, а затем сформировали набор изображений в виде кумулятивного набора данных, включающего 3 года, затем 6, затем 9 и так далее. Сигналы присутствовали постоянно, а затем, с течением времени, становились всё более значимыми. Этого не ожидаешь от инструментальной фоновой систематической ошибки».

Наиболее убедительный сигнал, по-видимому, исходил от комплекса C, огромного облака водородного газа, падающего в сторону диска Млечного пути. Был обнаружен еще один предварительный сигнал от Магелланова потока — газовой полосы, которая следует за Большим и Малым Магеллановыми облаками, когда они вращаются вокруг Млечного пути.

Ни один из этих регионов, как ожидается, не будет самостоятельно производить много позитронов, что предполагает, что частицы могли переместиться туда до аннигиляции. Авторы утверждают, что частицы могли покинуть сам Млечный Путь, но это создает новую загадку.

«Для эффективной аннигиляции позитроны должны двигаться очень медленно. Типичное представление об антиматерии, которая просто яростно уничтожает материю повсюду, не соответствует действительности в космосе. Поэтому, если бы позитроны должны были двигаться медленно для аннигиляции, они никогда бы не смогли покинуть Млечный Путь», — объяснил Зигерт. «Это означает, что существует доля позитронов с более высокими энергиями, которые покидают Млечный Путь и замедляются в газе Магелланова Потока. Этот выход был, по сути, неожиданным».

Если такая интерпретация данных верна, то это может лишь усугубить одну из самых давних загадок антиматерии.

Астрономы оценивают количество позитронов, производимых Млечным Путем, наблюдая за местами их аннигиляции. Если часть позитронов покидает Галактику до того, как замедлится и аннигилирует, это говорит о том, что производство позитронов в галактике значительно выше, чем предполагалось ранее.

Зигерт и Йонеда подсчитали, что Млечный Путь может производить 100 тредециллионов позитронов в секунду, что в 2-3 раза выше, чем по другим оценкам.

«Распространение действительно представляет собой интересный вопрос, но я бы сказал, что происхождение позитронов, которые, как наблюдается, аннигилируют, в таком случае еще более странно», — сказал Зигерт. «Перед нами стоит проблема объяснения огромного количества позитронов в Млечном пути. Если окажется, что их ещё больше, у нас закончатся традиционные астрофизические источники для их объяснения».

Обнаруженные явления по-прежнему несут в себе значительную степень неопределенности. Самый сильный сигнал достиг 4 сигма, что означает, что существует примерно одна вероятность из 15 000, что он возник в результате статистической флуктуации. В физике для заявления об открытии требуется достоверность в 5 сигма.

Зигерт уверен, что реальный сигнал аннигиляции существует, но говорит, что для определения правильности измерения силы сигнала потребуются дальнейшие наблюдения.

Будущие наблюдения с использованием комптоновского спектрометра и имиджера НАСА (COSI), запуск которого запланирован на 2027 год, должны позволить определить, являются ли эти слабые сигналы аннигиляции – которые Зигерт и Йонеда называют «манящими намеками» – подлинными, и помогут отследить места рождения позитронов в Млечном пути.

Если эти результаты подтвердятся, они углубят одну из старейших загадок антиматерии в астрономии, приблизив традиционные астрофизические объяснения к их пределам.

«В какой-то момент нам потребуется ввести нетрадиционные модели темной материи, чтобы получить такое количество позитронов, например, легкие частицы темной материи», — сказал Зигерт.