Маленький пульсар выпускает огромный пучок частиц: ключ к происхождению антиматерии
Антиматерия, "противоположность" барионной материи (обычной материи, которая нас окружает), существует во Вселенной лишь в ничтожных количествах. Хотя известно, что она может высвобождаться из космических объектов, выделяющих очень большое количество энергии (таких, как взрыв сверхновой или излучение энергии пульсара), чаще всего она блокируется мощными магнитными полями, исходящими от этих объектов. Новое наблюдение с космического телескопа НАСА "Чандра" передало изображение небольшого пульсара диаметром всего 16 км, проецирующего гигантский пучок материи и антиматерии. При длине 40 000 миллиардов километров это самый большой луч пульсара, когда-либо наблюдавшийся с Земли. Эта необычная сила для такого маленького космического объекта привела к неожиданному явлению, которое, возможно, объясняет происхождение антиматерии во Вселенной.
Пульсары (или нейтронные звезды) чаще всего рождаются в результате коллапса очень плотного ядра массивной звезды, которая в конце своей жизни взрывается в сверхновую. Они характеризуются высокой скоростью вращения и испусканием периодического электромагнитного луча, пронизывающего пространство (из-за быстрого вращения звезды вокруг себя).
Названый PSR J2030+4415, пульсар, сфотографированный "Чандрой", был обнаружен в 2020 году, но поскольку он находился за пределами границ (1600 световых лет от Земли) детектора, который в то время использовала космическая обсерватория, ученые еще не смогли воспользоваться всеми преимуществами его электромагнитного луча.
Благодаря новому наблюдению в рентгеновских лучах, исследователи из НАСА и Стэнфордского университета обнаружили, что этот луч на самом деле в три раза больше, чем их первоначальная оценка. Даже для пульсара такого диаметра скорость вращения впечатляет (три оборота в секунду). Электромагнитный луч простирается на 40 000 миллиардов километров! Чтобы лучше понять, представьте себе сферу размером с небольшой город, вращающуюся быстрее, чем стандартный вентилятор на потолке...
"Невероятно, что пульсар диаметром всего 16 км может создать настолько большую структуру, что мы можем видеть ее за тысячи световых лет", — восторгается Мартин де Врис, исследователь из Стэнфордского университета и ведущий автор исследования, в своем заявлении. "Больше всего поражают относительные размеры этих объектов: если бы эта нить протянулась от Нью-Йорка до Лос-Анджелеса, пульсар был бы примерно в 100 раз меньше самого крошечного объекта, видимого невооруженным глазом", — объясняет он в релизе. Подробности исследования будут опубликованы в ближайшее время в журнале The Astrophysical Journal и уже доступны на сервере .
Хотя подавляющее большая часть Вселенной состоит из обычной материи, а первобытная антиматерия (которая, согласно нашим теориям, сосуществовала с равной массой с первобытной материей во время Большого взрыва) почти полностью исчезла, значительное количество позитронов (античастица электрона) продолжает обнаруживаться с Земли. Результаты этого нового исследования могут дать новые подсказки относительно возможного источника антиматерии в Млечном Пути.
Новый вид пульсара, который "пропускает" антиматерию
Ключевым моментом является то, что электромагнитные лучи, исходящие от пульсаров, содержат как материю, так и антиматерию. Антиматерия - это, по сути, та же материя, что и обычная, но с обратными электрическими зарядами. Она состоит из античастиц, которые являются аналогами частиц в обычной материи. В излучении PSR J2030+4415 исследователи обнаружили позитроны - положительно заряженные эквиваленты электронов.
Одним из требований для создания антиматерии является высокое магнитное поле и высокая скорость вращения - два экстремальных условия, которые могут создавать пульсары. Эти параметры приводят к ускорению частиц и высокоэнергетическому излучению. При этом могут образовываться пары электронов и позитронов. Таким образом, обычный процесс преобразования массы в энергию (согласно уравнению Альберта Эйнштейна E = mc²) обращается вспять, поскольку энергия преобразуется в массу.
Однако ранее считалось, что магнитные поля пульсаров не позволяют позитронам вырваться наружу. Однако этот новый пульсар, по-видимому, мог выбросить немного в космос. Двигаясь со скоростью примерно 1 600 000 км/ч, он создает ветры, насыщенные частицами. Ожидается, что эти частицы будут находиться в сильном магнитном поле пульсара.
Кроме того, при их движении перед пульсарами обычно возникает ударная волна газа, похожая на скопление воды, создаваемое носом лодки, которая раскалывает воду по мере движения вперед. Однако около 20-30 лет назад это движение, похоже, прекратилось для PSR J2030+4415, и она догнала его. Это привело к взаимодействию с межзвездным магнитным полем, которое действует почти по прямой линии и слева направо. Последний механизм мог привести к выходу частиц. "Магнитное поле ветра пульсара соединилось с межзвездным магнитным полем, и высокоэнергетические электроны и позитроны вырвались через канал, образованный этим соединением", — говорит Роджер Романи, соавтор исследования и научный сотрудник Стэнфордского университета.
По словам авторов исследования, мощный и длинный луч, исходящий от PSR J2030+4415, демонстрирует, что заряженные частицы могут рассеиваться в космосе и потенциально достигать Земли, что, возможно, объясняет высокий уровень позитронов, обнаруженных в Млечном Пути.