Антиматерия остаётся одной из самых загадочных составляющих современной физики. Несмотря на то что её существование давно подтверждено экспериментально, процессы образования, распространения и исчезновения античастиц во Вселенной до сих пор изучены далеко не полностью. Особенно интересны позитроны — античастицы электронов, которые при встрече с обычным веществом мгновенно уничтожаются, превращаясь в высокоэнергетическое излучение.
Недавнее исследование показало, что характерные области аннигиляции позитронов существуют не только в нашей Галактике. Астрономы впервые обнаружили аналогичные «горячие точки» в других галактиках, что позволяет по-новому взглянуть на происхождение антиматерии и процессы, происходящие в различных уголках Вселенной.
Что такое антиматерия
Каждая элементарная частица имеет античастицу.
Она обладает такой же массой, но противоположными электрическими характеристиками.
Например:
- электрону соответствует позитрон;
- протону — антипротон;
- нейтрону — антинейтрон.
Если частица встречается со своей античастицей, обе исчезают.
Этот процесс называется аннигиляцией.
Вместо вещества возникает энергия, обычно в виде гамма-излучения.
Почему позитроны особенно интересуют учёных
Позитроны рождаются в различных астрофизических процессах.
Они могут появляться:
- при радиоактивном распаде некоторых элементов;
- во время вспышек сверхновых;
- возле нейтронных звёзд;
- в окрестностях чёрных дыр;
- при взаимодействии космических лучей с веществом.
После образования позитроны некоторое время путешествуют по межзвёздному пространству, пока не встретят обычные электроны.
Именно в момент их уничтожения возникают характерные сигналы, которые способны зарегистрировать космические обсерватории.
Долгая загадка Млечного Пути
Уже несколько десятилетий астрономы знают, что центральные области нашей Галактики являются мощным источником излучения, возникающего при аннигиляции позитронов.
Однако происхождение такого большого количества античастиц долгое время оставалось предметом научных дискуссий.
Предлагались самые разные объяснения:
- массовые вспышки сверхновых;
- активность чёрной дыры в центре Галактики;
- пульсары;
- взаимодействие космических лучей;
- более экзотические физические процессы.
Окончательного ответа пока нет.
Новое открытие расширило круг поиска
До последнего времени подобные области подробно изучались главным образом в Млечном Пути.
Теперь исследователи обнаружили похожие сигналы и в других галактиках.
Это особенно важно, поскольку позволяет сравнивать совершенно разные галактические системы.
Если одинаковые процессы происходят сразу в нескольких галактиках, значит речь идёт о фундаментальном механизме, а не об уникальной особенности Млечного Пути.
Что представляют собой «горячие точки»
Под этим названием понимают области, где интенсивность аннигиляции позитронов заметно выше окружающего пространства.
Это не означает, что там сосредоточена сама антиматерия.
Скорее, именно в этих районах особенно активно происходят встречи позитронов с обычным веществом.
В результате возникает мощное гамма-излучение с очень характерными особенностями.
Именно его регистрируют научные приборы.
Как удаётся обнаружить аннигиляцию
Обычные оптические телескопы подобные процессы увидеть не способны.
Для наблюдений используются гамма-обсерватории.
Они фиксируют фотоны очень высокой энергии, возникающие после исчезновения частиц и античастиц.
Анализируя распределение такого излучения, астрономы могут определить, где именно происходят наиболее интенсивные процессы аннигиляции.
Почему это открытие оказалось важным
Если раньше исследователи располагали главным образом данными по одной галактике, то теперь появилась возможность изучать аналогичные процессы в совершенно других условиях.
Это позволяет проверить различные гипотезы.
Например:
- одинаковы ли механизмы образования позитронов;
- зависит ли их количество от типа галактики;
- какую роль играют сверхновые;
- влияет ли активность центральной чёрной дыры.
Сравнение разных галактик значительно повышает надёжность подобных исследований.
Возможные источники античастиц
Пока учёные не называют единственную причину возникновения всех обнаруженных позитронов.
Скорее всего, одновременно работают несколько механизмов.
Среди наиболее вероятных рассматриваются:
- остатки сверхновых;
- быстро вращающиеся нейтронные звёзды;
- рентгеновские двойные системы;
- процессы возле сверхмассивных чёрных дыр;
- взаимодействие высокоэнергетических частиц.
Каждый из этих источников способен производить определённое количество позитронов.
Исследование помогает понять эволюцию галактик
Аннигиляция позитронов оказывается связана не только с физикой элементарных частиц.
Она отражает процессы, происходящие в галактике в целом.
Например:
- образование новых звёзд;
- гибель массивных светил;
- распределение межзвёздного газа;
- движение высокоэнергетических частиц.
Поэтому карты гамма-излучения становятся дополнительным инструментом изучения жизни галактик.
Что ещё предстоит выяснить
Исследователи продолжают искать ответы на множество вопросов.
Им необходимо понять:
- почему некоторые области значительно ярче других;
- насколько долго существуют такие структуры;
- как далеко способны путешествовать позитроны до аннигиляции;
- одинаковы ли процессы в различных типах галактик.
Для решения этих задач потребуются новые наблюдения и более чувствительные космические обсерватории.
Новые телескопы откроют ещё больше деталей
Развитие гамма-астрономии продолжается.
Будущие инструменты смогут:
- точнее определять положение источников;
- регистрировать более слабые сигналы;
- изучать большее количество галактик;
- строить более подробные карты распределения антиматерии.
Это позволит существенно расширить знания о высокоэнергетических процессах во Вселенной.
Антиматерия остаётся важным ключом к пониманию космоса
Новое исследование показывает, что процессы аннигиляции позитронов являются распространённым явлением далеко за пределами Млечного Пути. Обнаружение подобных областей в других галактиках означает, что образование и исчезновение антиматерии может быть обычной частью жизни крупных звёздных систем.
Каждое новое наблюдение помогает астрономам лучше понять происхождение высокоэнергетических частиц, эволюцию галактик и фундаментальные законы природы. Возможно, именно такие исследования в будущем позволят окончательно объяснить, почему во Вселенной сегодня преобладает обычное вещество, тогда как антиматерия встречается значительно реже.
Источники:
Статья создана по материалам Phys.Org
