Астрономы обнаружили загадочные сигналы аннигиляции за пределами нашей галактики
В центре Млечного Пути уже несколько десятилетий существует загадка, которую астрономы пока не могут объяснить. Наблюдения показывают, что в нашей галактике присутствует огромное количество позитронов — античастиц электронов, которые при встрече с обычными электронами уничтожают друг друга, испуская гамма-излучение.
Проблема заключается в том, что известные астрофизические источники не способны полностью объяснить наблюдаемое количество позитронов. Теперь физики сообщили о возможных первых свидетельствах аннигиляции антиматерии за пределами Млечного Пути, что может сделать загадку ещё сложнее.
Согласно новому исследованию Томаса Зигерта из Университета Юлиуса и Максимилиана в Вюрцбурге и Хироки Ёнеды из Киотского университета, характерный гамма-сигнал, возникающий при уничтожении материи и антиматерии, мог быть обнаружен за пределами галактического диска.
Если интерпретация наблюдений верна, часть позитронов может покидать Млечный Путь и пролетать далеко за пределы его диска, прежде чем замедлиться и столкнуться с электронами. Это означает, что наша галактика может производить значительно больше антиматерии, чем считалось ранее.
Позитроны являются античастицами электронов. Они имеют такую же массу и спин, но противоположный электрический заряд. Когда позитрон встречается с электроном, обе частицы аннигилируют, превращаясь в гамма-излучение с характерной энергией 511 килоэлектронвольт.
Астрономы десятилетиями составляют карты такого излучения, чтобы определить области, где в Млечном Пути происходит аннигиляция позитронов. Однако эти наблюдения породили серьёзную проблему: количество уничтожающихся позитронов оказывается слишком большим для объяснения известными астрофизическими источниками.
Учёные учитывали позитроны, образующиеся из радиоактивных изотопов, созданных во время звёздных взрывов, а также частицы, связанные с чёрными дырами, нейтронными звёздами и другими мощными космическими объектами. Несмотря на это, наблюдаемый сигнал аннигиляции всё равно остаётся недостаточно объяснённым.
Для нового анализа исследователи использовали полный набор данных космического гамма-телескопа Европейского космического агентства INTEGRAL, который наблюдал гамма-излучение Вселенной более 20 лет — с 2002 года до завершения миссии в 2025 году.
Зигерт и Ёнеда изучали весь массив данных, чтобы создать наиболее подробные карты излучения с энергией 511 килоэлектронвольт. В процессе анализа они обнаружили необычные сигналы.
Сначала исследователи проверили, не связаны ли наблюдения с ошибкой прибора или особенностями обработки данных. Для этого они разделили массив наблюдений на интервалы продолжительностью три года, сравнили полученные изображения, а затем последовательно объединяли данные за три, шесть, девять и больше лет.
Сигналы сохранялись во всех вариантах анализа и становились статистически более значимыми по мере накопления данных. По словам исследователей, такое поведение нехарактерно для систематической ошибки, связанной с фоновым излучением самого прибора.
Наиболее убедительный сигнал, по мнению учёных, исходил из области, известной как Комплекс C. Это огромное облако водорода, которое движется в направлении диска Млечного Пути.
Ещё один потенциальный сигнал был обнаружен в районе Магелланова потока — длинной ленты газа, тянущейся за Большим и Малым Магеллановыми Облаками во время их движения вокруг Млечного Пути.
Ни Комплекс C, ни Магелланов поток не должны самостоятельно производить большое количество позитронов. Поэтому исследователи предполагают, что частицы могли прибыть туда из другого места и лишь затем аннигилировать.
Возможное объяснение заключается в том, что часть позитронов покинула Млечный Путь. Однако именно здесь возникает новая проблема. Для эффективной аннигиляции позитроны должны сильно замедлиться. В космическом пространстве антиматерия не уничтожает обычное вещество мгновенно и повсеместно: частицы должны достаточно медленно двигаться, чтобы вероятность взаимодействия стала высокой.
«Если позитронам необходимо замедлиться для аннигиляции, они никогда не смогли бы покинуть Млечный Путь», — объяснил Зигерт.
Исследователи предполагают, что существует доля позитронов с более высокой энергией, которые способны покинуть галактику, а затем замедлиться в газе Магелланова потока. Такое поведение ранее практически не рассматривалось и стало неожиданным результатом анализа.
Если эта интерпретация окажется правильной, она может существенно изменить оценки производства антиматерии в Млечном Пути. Сейчас астрономы оценивают количество образующихся позитронов главным образом по тому, где эти частицы в конечном итоге аннигилируют.
Если часть позитронов покидает галактику и уничтожается уже далеко за её пределами, значит, наблюдаемое внутри Млечного Пути количество частиц представляет только часть общего производства антиматерии.
По оценке исследователей, Млечный Путь может производить около 100 триллионов триллионов триллионов позитронов в секунду. Это примерно в два-три раза больше предыдущих оценок.
При этом происхождение такого огромного количества позитронов становится ещё более загадочным. Даже существующие оценки уже трудно объяснить обычными астрофизическими процессами, а увеличение расчётного количества ещё сильнее ограничивает число возможных источников.
Однако обнаруженные сигналы пока нельзя считать окончательным открытием. Наиболее сильный из них достиг статистической значимости около 4 сигм. Это означает, что вероятность его появления исключительно из-за статистической флуктуации составляет примерно один случай на 15 000. Для официального объявления открытия в физике обычно требуется уровень в 5 сигм.
Зигерт считает, что реальный сигнал аннигиляции, скорее всего, существует, однако будущие наблюдения должны подтвердить его природу и уточнить интенсивность излучения.
Новые возможности для проверки этой гипотезы появятся после запуска космического аппарата NASA COSI — Compton Spectrometer and Imager, который планируется отправить в космос в 2027 году. Он сможет проверить слабые сигналы аннигиляции, которые исследователи называют «многообещающими намёками», и помочь определить, где именно рождаются позитроны Млечного Пути.
Если наблюдения подтвердятся, одна из старейших загадок космической антиматерии станет ещё сложнее. Обычные астрофизические источники могут оказаться неспособны объяснить количество обнаруженных позитронов, и тогда учёным, возможно, придётся рассматривать более экзотические варианты, включая модели лёгкой тёмной материи.
Исследование в журнале Astronomy & Astrophysics.