У 2008 році в космічних променях було виявлено надлишок позитронів з енергіями більше 10 гігаелектронвольт. Фахівці обговорюють два можливих пояснення цього факту. Джерелом "зайвих" часток можуть виявитися або найближчі до Землі пульсари, або темна матерія. В статті , Опублікованій 17 листопада в журналі Science великою групою вчених, показано, що перше пояснення можна відкинути. По крайней мере, якщо виходити з найпростіших моделей роботи пульсара. Такий висновок зроблено після аналізу гамма-випромінювання двох найближчих до Землі нейтронних зірок.
У кожної частки "звичайної" матерії (електрона, протона і так далі) є "злий двійник" - античастинка. Всіма своїми характеристиками (наприклад, масою) вона в точності повторює побратима, але має протилежний електричний заряд. Коли частка і її античастинка зустрічаються, вони обидві перетворюються в випромінювання (цей процес називається анігіляцією). При цьому вся їх маса переходить в енергію по сакраментальною формулою E = mc2. Легко порахувати, що анігіляція одного грама речовини еквівалента вибуху кілька десятків мегатонн тротилу. Ось такий вражаючий феєрверк.
Античастинка електрона називається позитроном. У 2008 році було виявлено, що позитронів з енергіями більше 10 гігаелектронвольт в космічних променях більше, ніж очікувалося. У 2013 році детектор AMS на Міжнародній космічній станції підтвердив ці результати . Значить, існує якийсь невідомий ученим джерело цих частинок.
Здавалося б, ну і що? Хіба мало таких джерел може бути на неозорих просторах космосу? Не тут то було. Швидкість виявлених позитронів не залишала сумніву, що вони народилися в межах декількох сотень світлових років від Землі. Інакше вони розгубили б енергію в міжзоряних магнітних полях.
Тим часом ці найближчі, за мірками Галактики, околиці нашої планети джерелами позитронів не буяє. Дослідники припустили, що частинки нам поставляє загадкова темна матерія. А це вже було дуже серйозно.
Ситуацію з цієї невловимої субстанцією, на яку, за підрахунками космологов, припадає 27% всієї енергії Всесвіту, можна охарактеризувати приказкою "шукають, шукають, не знайдуть". Її гравітація впливає на рух цілих галактик , Але ніякими іншими способами вона поки що не виявляється . Відкриття реакцій, в яких беруть участь частки темної матерії (а саме продуктом цих реакцій пропонувалося вважати потік позитронів) стало б подією, що ввійшли в історію.
Втім, астрономи скоро назвали конкурентів темної матерії за звання виробника надлишкових античастинок. Це пульсари, нейтронні зірки, про яких ми детально розповідали . В їх потужних магнітних полях рухаються частинки, прискорені майже до швидкості світла. Частина з них вилітає в навколишній космос і поповнює собою космічні промені .
Але чи можуть пульсари забезпечувати потік позитронів саме з спостерігаються характеристиками? На це питання і відповідає недавнє дослідження.
Велика група вчених проаналізувала гамма-випромінювання двох найближчих до Землі пульсарів - Гемінга і PSRB0656 + 14. Зрозуміло, з поверхні Землі не можна безпосередньо спостерігати гамма-кванти. Від них нас надійно захищає атмосфера, рятуючи все живе від цієї смертельної радіації. Але у вчених є способи вловити і невловиме.
Коли гамма-квант стикається з атомом повітря, відбувається реакція, в якій народжуються нові частинки. Ці частинки в свою чергу стикаються з атомами і так далі. Виходить те, що фахівці називають атмосферним зливою. Один фотон гамма-випромінювання, що досяг верхніх шарів атмосфери, породжує цілий потік частинок у поверхні Землі.
Ці-то частинки і реєструє обсерваторія HAWC . Її наглядова інструмент - три сотні судин, заповнених чистою водою. Коли в них потрапляє частинка, яка рухається швидше, ніж в цій воді може поширюватися світло, виникає світіння. Це явище називається ефектом Вавілова-Черенкова . Обробка великої кількості даних дозволяє виявляти області неба, звідки прийшли гамма-кванти, що породили потік частинок.
Але, здавалося б, до чого тут позитрони? Все просто. Взаємодія викинутих пульсаром електронів і позитронів з реліктовим випромінюванням народжує гамма-кванти. Це і є основним механізмом появи гамма-випромінювання нейтронної зірки.
Спостереження, на які спиралися дослідники, тривали 507 днів. Накопичивши дані, автори виділили гамма-випромінювання згаданих пульсарів і виміряли його потік. Використовуючи цю інформацію, вони розрахували, які характеристики повинен мати потік позитронів, що випускається Пульсаром, в районі Землі (скільки часток з різною енергією має спостерігатися).
При цьому їм, звичайно, довелося використовувати деяку модель процесів, що відбуваються на нейтронної зірки. Наприклад, вони припустили певний розподіл електронів і позитронів по енергіях. Втім, припущення учених не були довільними. Вони використовували найпростішу і природну модель, яка узгоджується з тим, що ми знаємо про пульсари.
Висновок авторів інтригує: пульсар (або його найпростішу модель) можна сміливо "відправити у відставку". Тому що вийшло розподіл являє собою порівняно вузький пік в районі одного тераелектронвольт. Це зовсім не схоже на те, що зафіксував детектор позитронів AMS: майже рівномірний розподіл по енергіях від декількох гігаелектронвольт до десятих часток тераелектронвольт.
Виходить, що потрібно або переглядати наші уявлення про процеси в атмосфері пульсара, або все-таки визнати, що нейтронні зірки тут ні при чому. І тоді єдиним відомим кандидатом на роль "постачальника" енергійних позитронів знову стає темна матерія .
До слова, "Весті.Наука" (nauka.vesti.ru) недавно писали про одну з можливих причин, за якими її до сих пір не вдалося виявити на детекторах. Можливо, справа в тому, що частинки темної матерії занадто легкі. але вчені знають, як все виправити .
Здавалося б, ну і що?Хіба мало таких джерел може бути на неозорих просторах космосу?
Але чи можуть пульсари забезпечувати потік позитронів саме з спостерігаються характеристиками?
Але, здавалося б, до чого тут позитрони?
