Центр Млечного Пути аннигилирует

В центре нашей галактики ежесекундно аннигилирует около 10e+43 (десять в сорок третьей степени) позитронов. К такому выводу пришли российские астрофизики по итогам трехлетнего наблюдения за звездами. Помог ученым собрать данные телескоп SPI, который установлен на борту космической обсерватории ИНТЕГРАЛ. Итоговые результаты исследования опубликованы в журнале «Ежемесячные записки Королевского астрономического общества Великобритании» (MNRAS).

Позитрон —

античастица, аналог электрона, имеющая положительный заряд.

Как пояснил «Газете.Ru» один из авторов работы доктор физмат наук Евгений Чуразов (ИКИ РАН), когда позитрон сталкивается с электроном, то обе частицы аннигилируют, то есть исчезают с образованием двух или более фотонов. Регистрируя эти фотоны, астрофизики могут судить, где и в каком количестве рождаются позитроны, каковы свойства среды, в которой они погибают, как происходят ядерные превращения в Галактике.

Центральный вопрос — механизм рождения позитронов. В астрофизических условиях «канонический» процесс рождения позитронов — это синтез радиоактивных элементов при вспышках сверхновых и последующий распад этих элементов. Например, естественный «поставщик» позитронов — распад радиоактивного изотопа алюминия – Al26, время жизни которого около миллиона лет. Этот изотоп синтезируется в наиболее молодых и массивных звездах, которые, главным образом, встречаются в диске галактики. Поэтому перед началом исследований ученые предполагали и в аннигиляционном излучении увидеть аналог Млечного Пути — яркую полоску вдоль диска галактики.

Но вместо полосы обсерватория ИНТЕГРАЛ увидела яркое пятно в центральной зоне Галактики.

ИНТЕГРАЛ —
космическая обсерватория Европейского космического агентства (ЕКА), выведенная на земную орбиту в 2002 году с помощью российской ракеты-носителя ПРОТОН. Благодаря этому российские астрофизики получили около четверти наблюдательного времени обсерватории. Основной задачей обсерватории является изучение Вселенной в жестком рентгеновском и гамма-диапазонах от 10 кэВ (килоэлектрон-вольт) до 10 МэВ. Энергетическая разрешающая способность обсерватории — несколько кэВ.

Открытие заставило астрофизиков рассматривать альтернативные механизмы образования позитронов. Например, позитроны могут рождаться вблизи нейтронных звезд или черных дыр. Но самым экзотическим из всех обсуждаемых механизмов является возможная связь наблюдаемого гамма излучения с аннигиляцией частиц «темной материи».
Хотя природа темной материи остается загадкой, ряд современных теорий предсказывает, что частицы темной материи могут сами аннигилировать и порождать позитроны. А дальнейшая аннигиляция позитронов и порождает наблюдаемое гамма-излучение.

Другой важнейший вопрос астрофизики — процесс гибели позитронов. Позитроны практически всегда рождаются релятивистскими, то есть их кинетическая энергия сравнима или превышает их массу покоя. При таких энергиях (порядка мегаэлектрон-вольта) позитроны и электроны пролетают друг мимо друга так быстро, что не успевают аннигилировать.

Чтобы процесс аннигиляции стал эффективным, позитроны должны вначале потерять энергию, или «остыть», что и происходит в межзвездной среде.

Понятие «темной» материи (материи, которая имеет массу, но которую нельзя увидеть) было введено в астрофизику для объяснения противоречия в «измеряемой» и «видимой» масс галактик и скоплений галактик.

Это не быстрый процесс, иногда между временем рождения и аннигиляцией проходят миллионы лет, в течение которых позитроны дрейфуют в межзвездной среде.

Наконец, позитрон захватывает электрон и образует так называемый «позитроний» — аналог атома водорода, где на месте положительно заряженного ядра-протона находится позитрон. Просуществовав недолгое время, позитроний аннигилирует, испуская жесткие гамма-лучи.

Физики различают два типа позитрония — пара-позитроний и орто-позитроний, отличающихся взаимной ориентацией.

В основанной на данных наблюдений центральной области Галактики в гамма диапазоне работе по изучению позитронов приняли участие: Евгений Чуразов, Рашид Сюняев, Сергей Сазонов и Михаил Ревнивцев из Института космических исследований РАН (ИКИ РАН) и Дмитрий Варшалович (Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе, Санкт-Петербург)

спинов электрона и позитрона. Пара-позитроний порождает два фотона с энергией 511 килоэлектрон-вольт (кэВ), тогда как орто-позитроний аннигилирует с образованием трех фотонов различных энергий. В результате для наблюдателя с Земли спектр аннигиляционного излучения распадается на две компоненты. Первая — узкая линия с энергией 511 кэВ, а вторая — непрерывный спектр на более низких энергиях, связанный с аннигиляцией орто-позитрония. Спектрометр SPI, который вел наблюдения за центром Галактики, зарегистрировал обе эти компоненты, причем с рекордной точностью

По данным обсерватории ИНТЕГРАЛ, энергия узкой линии равна 510.988 кэВ, что совпадает с энергией покоя позитрона или электрона с точностью до сотой доли процента.

На фото: Млечный Путь в видимом диапазоне; в ИК-диапазоне (цвет) и в широком рентгеновском спектре (контуры); карта излучения Галактики в линии 511 кэВ по данным обсерватории ИНТЕГРАЛ. Центральное яркое пятно соответствует области Галактического центра, в которой и происходит рождение и аннигиляция позитрония.

Такое хорошее совпадение говорит, что скорость движения межзвездной среды, в которой происходит аннигиляция, относительно Земли не превышает 30 км/с. В противном случае энергия узкой линии была бы сильнее смещена относительно энергии покоя позитрона. По данным обсерватории было также установлено, что температура среды достаточно высока, порядка 8000-10000 градусов, а сама среда частично ионизована. Именно в среде с такими параметрами погибает большая часть позитронов.

Следующая задача, которую поставили перед собой ученые из ИКИ РАН – построить при помощи ИНТЕГРАЛА детальные спектры аннигиляции вдали от центра Галактики и получить более жесткие ограничения на свойства темной материи.