Всё-таки тёмная материя? Поток антиматерии вблизи Земли не удалось объяснить иначе

Так выглядит обсерватория HAWC.
Фото Wikimedia Commons.

Читайте нас в Telegram

В 2008 году в космических лучах был обнаружен избыток позитронов с энергиями более 10 гигаэлектронвольт. Специалисты обсуждают два возможных объяснения этого факта. Источником "лишних" частиц могут оказаться либо ближайшие к Земле пульсары, либо тёмная материя. В статье, опубликованной 17 ноября в журнале Science большой группой учёных, показано, что первое объяснение можно отбросить. По крайней мере, если исходить из самых простых моделей работы пульсара. Такой вывод сделан после анализа гамма-излучения двух ближайших к Земле нейтронных звёзд.

У каждой частицы "обычной" материи (электрона, протона и так далее) есть "злой двойник" – античастица. Всеми своими характеристиками (например, массой) она в точности повторяет собрата, но имеет противоположный электрический заряд. Когда частица и её античастица встречаются, они обе превращаются в излучение (этот процесс называется аннигиляцией). При этом вся их масса переходит в энергию по сакраментальной формуле E = mc2. Легко посчитать, что аннигиляция одного грамма вещества эквивалента взрыву несколько десятков мегатонн тротила. Вот такой впечатляющий фейерверк.

Античастица электрона называется позитроном. В 2008 году было обнаружено, что позитронов с энергиями более 10 гигаэлектронвольт в космических лучах больше, чем ожидалось. В 2013 году детектор AMS на Международной космической станции подтвердил эти результаты. Значит, существует какой-то неизвестный учёным источник этих частиц.

Казалось бы, ну и что? Мало ли таких источников может быть на необозримых просторах космоса? Не тут-то было. Скорость обнаруженных позитронов не оставляла сомнения, что они родились в пределах нескольких сотен световых лет от Земли. Иначе они растеряли бы энергию в межзвёздных магнитных полях.

Между тем эти ближайшие, по меркам Галактики, окрестности нашей планеты источниками позитронов не изобилуют. Исследователи предположили, что частицы нам поставляет загадочная тёмная материя. А это уже было очень серьёзно.

Ситуацию с этой неуловимой субстанцией, на которую, по подсчётам космологов, приходится 27% всей энергии Вселенной, можно охарактеризовать присказкой "ищут, ищут, не найдут". Её гравитация влияет на движение целых галактик, но никакими другими способами она пока что не обнаруживается. Открытие реакций, в которых участвуют частицы тёмной материи (а именно продуктом этих реакций предлагалось считать поток позитронов) стало бы событием, вошедшим в историю.

Впрочем, астрономы скоро назвали конкурентов тёмной материи за звание производителя избыточных античастиц. Это пульсары, нейтронные звезды, о которых мы подробно рассказывали. В их мощных магнитных полях движутся частицы, ускоренные почти до скорости света. Часть из них вылетает в окружающий космос и пополняет собой космические лучи.

Но могут ли пульсары обеспечивать поток позитронов именно с наблюдаемыми характеристиками? На этот вопрос и отвечает недавнее исследование.

Большая группа учёных проанализировала гамма-излучение двух ближайших к Земле пульсаров – Геминги и PSRB0656+14. Разумеется, с поверхности Земли нельзя непосредственно наблюдать гамма-кванты. От них нас надёжно защищает атмосфера, спасая всё живое от этой смертельной радиации. Но у учёных есть способы уловить и неуловимое.

Когда гамма-квант сталкивается с атомом воздуха, происходит реакция, в которой рождаются новые частицы. Эти частицы в свою очередь сталкиваются с атомами и так далее. Получается то, что специалисты называют атмосферным ливнем. Один фотон гамма-излучения, достигший верхних слоёв атмосферы, порождает целый поток частиц у поверхности Земли.

Эти-то частицы и регистрирует обсерватория HAWC. Её наблюдательный инструмент – три сотни сосудов, заполненных чистейшей водой. Когда в них попадает частица, которая движется быстрее, чем в этой воде может распространяться свет, возникает свечение. Это явление называется эффектом Вавилова-Черенкова. Обработка большого количества данных позволяет выявлять области неба, откуда пришли гамма-кванты, породившие поток частиц.

Но, казалось бы, при чём тут позитроны? Всё просто. Взаимодействие выброшенных пульсаром электронов и позитронов с реликтовым излучением рождает гамма-кванты. Это и является основным механизмом появления гамма-излучения нейтронной звезды.

Наблюдения, на которые опирались исследователи, длились 507 дней. Накопив данные, авторы выделили гамма-излучение упомянутых пульсаров и измерили его поток. Используя эту информацию, они рассчитали, какие характеристики должен иметь поток позитронов, испускаемый пульсаром, в районе Земли (сколько частиц с разной энергией должно наблюдаться).

При этом им, конечно, пришлось использовать некоторую модель процессов, происходящих на нейтронной звезде. Например, они предположили определённое распределение электронов и позитронов по энергиям. Впрочем, предположения учёных не были произвольными. Они использовали самую простую и естественную модель, согласующуюся с тем, что мы знаем о пульсарах.

Вывод авторов интригует: пульсар (либо его простейшую модель) можно смело "отправить в отставку". Потому что получившееся распределение представляет собой сравнительно узкий пик в районе одного тераэлектронвольта. Это совсем не похоже на то, что зафиксировал детектор позитронов AMS: почти равномерное распределение по энергиям от нескольких гигаэлектронвольт до десятых долей тераэлектронвольта.

Получается, что нужно либо пересматривать наши представления о процессах в атмосфере пульсара, либо всё-таки признать, что нейтронные звёзды тут ни при чём. И тогда единственным известным кандидатом на роль "поставщика" энергичных позитронов снова становится тёмная материя.

К слову, "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) недавно писали об одной из возможных причин, по которым её до сих пор не удалось обнаружить на детекторах. Возможно, дело в том, что частицы тёмной материи слишком лёгкие. Но учёные знают, как всё исправить.

Сегодня