Звёзды и антизвёзды: космическая обсерватория отыскала 14 кандидатов в звёзды из антиматерии

По оценкам, на каждые 400 тысяч обычных звёзд в галактическом диске может приходиться одна звезда из антиматерии. При помощи каталога источников гамма-излучения, созданного за десять лет космическим телескопом Ферми, астрономы выделили 14 кандидатов в звёзды, состоящие из антиматерии.

Предполагается, что в Большом Взрыве создалось одинаковое количество материи и антиматерии, но современная Вселенная, по-видимому, содержит только незначительную долю антивещества. Барионная антиматерия при контакте с обычным веществом аннигилирует и создаёт гамма-излучение с характерным спектром. Таких особенностей ранее не фиксировалось в гамма-лучах вблизи Солнечной системы, в Млечном Пути и даже вплоть до масштабов скоплений галактик. Поэтому считается, что симметричное распределение материи и антиматерии во Вселенной можно исключить. Космологические модели пытаются объяснить преобладание материи над антиматерией, или барионную асимметрию, рассматривая различные гипотетические механизмы, приведшие к доминированию «обычного» вещества.

Атом антигелия.

В 2018 году эксперимент с магнитным альфа-спектрометром (эксперимент AMS-2) на Международной космической станции, возможно, выявил аннигиляцию нескольких антигелиевых ядер. Пока что удалось зафиксировать восемь событий аннигиляции. Один антигелий приходится примерно на сто миллионов атомов гелия. Такие результаты предполагают, что антивещества в ближних звёздных окрестностях может быть больше, чем считалось. Соответственно оживился интерес к гипотезе, гласящей, что какая-то часть исходной антиматерии могла сохраниться и сформировать «антизвёзды» и даже «антигалактики» — это могло бы объяснить и экспериментально наблюдаемый поток антигелия. Лёгкие античастицы, например, позитроны — не редкость в космических процессах, но здесь речь идёт о возможности обнаружения «тяжёлой», или барионной антиматерии, из которой могут состоять такие звёзды.

Распад антипротона на несколько π-мезонов — треки частиц в пузырьковой камере.

Наблюдения за гамма-лучами можно использовать для поисков гипотетических антизвёзд поблизости. Гамма-излучение рождается во многих астрофизических процессах, включая аннигиляцию при столкновении частицы и античастицы. Такое излучение могло бы возникнуть и при аккреции обычного межзвёздного вещества на звезде из антиматерии, а выделить это событие из других можно по особенностям спектра. Так, аннигиляция нуклона и антинуклона чаще всего происходит с рождением пионов (пи-мезонов) — самых лёгких мезонов, которые затем распадаются на другие элементарные частицы или (нейтральные пионы π0) — на два гамма-кванта. Поэтому спектр излучения при аннигиляции барионной материи с антиматерией должен обладать характерным пиком на энергиях около 70 МэВ — это половина массы нейтрального пи-мезона. Такие же особенности спектра характерны и в многочисленных реакциях с «лёгким» антивеществом — например, аннигиляции электронов и позитронов, но там работают совсем другие значения энергии гамма-квантов — порядка 0,5 МэВ. Ещё одна ожидаемая особенность спектра для реакций барионного антивещества, например — пороговая отсечка на энергиях выше 938 МэВ, что соответствует массе покоя протона. Такие сигнатуры в спектрах пытаются искать во многих естественных и искусственных ядерных процессах как признаки антиматерии, и по ним же сделали заключение о возможном обнаружении нескольких ядер антигелия в эксперименте AMS-2.

Астрономы использовали данные космической гамма-обсерватории Ферми, собранные за десять лет. В доступной выборке содержится 5787 космических источников гамма-излучения вместе с данными по спектру, распределению энергии, световой кривой (изменению блеска источника со временем) и излучению на других длинах волн, связанному с ними. Из этих источников сначала исключили распределённые объекты, известные пульсары и активные ядра галактик, а также источники с энергиями излучения, заведомо большими, чем ожидаемые значения для звёзд из антиматерии. Новая статья по результатам обработки данных гамма-телескопа вышла в марте 2021 года в Physical Review D.

После исключения всех неподходящих источников удалось выделить всего 14 объектов — кандидатов в «антизвёзды», при столкновении с которыми обычной материи рождаются характерные гамма-лучи. Но нужно помнить, что природа этих источников остаётся неясной: это могут быть и антизвёзды, но очень вероятно, что они представляют собой другие типы источников из числа хорошо известных — например, пульсары или чёрные дыры. Поэтому по этим результатам можно дать консервативные оценки популяции гипотетических антизвёзд в Млечном Пути, определив верхний предел для количества «звёздной антиматерии» вокруг. Для этого предложили параметрический подход, связав несколько неизвестных — количество возможных антизвёзд с массой ближайших антизвёзд, их скоростью и средней плотностью среды возле них.

Млечный Путь: галактический диск и звёздное гало.

Исходя из количества зафиксированных «кандидатов в антизвёзды» и чувствительности телескопа Ферми астрофизики оценили возможное количество таких объектов вблизи Солнечной системы. Очевидно, вероятность их встречи должна сильно различаться в зависимости от места в Галактике. Если антизвёзды находятся в плоскости Млечного Пути, населённой звёздами и межзвёздным веществом, они должны интенсивно взаимодействовать с газом и пылью из обычной материи, и гамма-сигнал от них сравнительно легко зафиксировать. В галактическом диске на каждый миллион обычных звёзд может встретиться до 2,5 антизвёзд (или до одной антизвезды на 400 тысяч звёзд) — в предположении, что распределение антизвёзд по массам в диске Галактики повторяет распределение звёзд из обычной материи.

Напротив, в относительно пустынных областях вне плоскости Галактики (область звёздного гало) у таких объектов меньше шансов на аккрецию материи, и поэтому их обнаружить сложнее. В этом сценарии за пределами галактической плоскости оценки допускают значительно большее их количество. Расчёты существенно опираются на предположения о возможной массе антизвёзд, о распределении которой вне диска Галактики неизвестно ничего. Поэтому вопрос решили проще: масса антизвезды остаётся свободным параметром с осторожными предположениями, что чаще можно встретить объекты с массами от одной до десятка солнечных — как и для обычных звёзд. В этом случае получается солидный разброс оценок на четыре порядка. Так, в гало галактики одна антизвезда должна приходиться на 16 тысяч обычных звёзд при условии, что её масса составляет порядка десяти масс Солнца. Если же масса характерной антизвезды сопоставима с солнечной, то можно ожидать даже до одной антизвезды на десять обычных. Это звучит заманчиво, но нужно понимать, что речь идёт всего лишь о верхней оценке популяции антиобъектов исходя из доступных наблюдений. Прямых наблюдений антизвёзд пока нет (и вероятно, такое наблюдение было бы открытием, равным по значимости обнаружению внеземной жизни). Антизвёзды меньшей массы могли бы в соответствии с такими оценками встречаться ещё чаще, но здесь в игру вступают более строгие ограничения на количество антиматерии, полученные в наблюдениях за другими явлениями.

Источником зафиксированного в экспериментах AMS-02 на МКС антигелия может быть даже одна антизвезда поблизости; но результаты показывают, что область вокруг Солнечной системы диаметром в один парсек не должна содержать антизвёзд: их просто слишком мало. Если считать, что свойства антизвёзд статистически повторяют свойства обычной звёздной популяции в галактическом диске, то такая пустая область может иметь размер и до ста парсек. Источники, которые смог обнаружить гамма-телескоп, вероятно, находятся на расстояниях от десятков до ≈1000 парсек, и тогда они могут создавать коллективный «фон», обеспечивший поток ядер антигелия. В таком случае нужно выяснить возможные механизмы выброса и ускорения антивещества из таких антизвёзд.

Четырнадцать источников гамма-излучения-кандидатов в звёзды из антиматерии на карте звёздного неба. Phys. Rev. D 103, 083016 (2021). NASA/DOE/Fermi LAT Collaboration.

Источник: 22century.ru

Вы можете оставить комментарий, или ссылку на Ваш сайт.

Оставить комментарий

Вы должны быть авторизованы, чтобы разместить комментарий.