Нещо необичайно се случва в центъра на Млечния път.

В продължение на десетилетия астрономите се опитват да обяснят огромното количество частици антиматерия – позитрони, – които се сблъскват с електрони и се унищожават взаимно, като отделят проблясъци от гама-лъчи около центъра на нашата галактика.

Проблемът е, че познатите астрофизични източници не могат да обяснят колко много позитрони изглежда произвежда Млечният път. Сега двама физици представят данни, които може да усложнят загадката допълнително.

Според ново изследване на Томас Зигерт от Вюрцбургския университет „Юлиус Максимилиан“ в Германия и Хироки Йонеда от Университета в Киото, Япония, характерният гама-лъчев сигнал от анихилацията на материя и антиматерия може за първи път да е бил регистриран извън Млечния път.

Наблюденията на поне една област подсказват, че част от позитроните може да се отдалечават далеч отвъд диска на Млечния път, преди да се анихилират.

Ако това се потвърди, нашата галактика може да произвежда значително повече антиматерия, отколкото сочат досегашните оценки.

„Това би било първото регистриране на позитронна анихилация извън нашата галактика“, казва Зигерт пред ScienceAlert.

„Само по себе си подобно откритие би означавало, че общото количество позитрони в Млечния път е много по-голямо от онова, което в момента наблюдаваме в пределите на галактиката.“

Какво представляват позитроните

Позитроните са антиматерийните двойници на електроните. Те имат същата маса и спин, но са с противоположен електрически заряд. Когато позитрон и електрон се срещнат, двете частици взаимно се унищожават в процес, наречен анихилация, при който се отделят гама-лъчи с характерна енергия от 511 килоелектронволта.

Астрономите картографират това излъчване в Млечния път вече десетилетия, за да открият областите с най-интензивна позитронна анихилация. Тези наблюдения обаче разкриват и трудна за обяснение аномалия: изглежда, че се анихилират много повече позитрони, отколкото познатите астрофизични източници биха могли да произведат.

Дори когато в изчисленията бъдат включени позитроните, породени от радиоактивни изотопи при звездни експлозии, от черни дупки и неутронни звезди, както и от други високоенергийни обекти, наблюдаваният сигнал от анихилация пак не може да бъде обяснен напълно.

Какво показва пълният архив на INTEGRAL

Космическата обсерватория INTEGRAL на Европейската космическа агенция наблюдава гама-лъчевото небе в продължение на повече от 20 години – от началото на мисията през 2002 г. до нейния край през 2025 г.

Зигерт и Йонеда анализират целия набор от данни на INTEGRAL, за да съставят най-подробните досега карти на излъчването с енергия 511 keV в Млечния път. Именно в хода на тази работа те забелязват нещо необичайно.

„Опитахме се да разберем какво би могло да води до грешка в резултатите“, обяснява Зигерт.

„Например разделихме данните на тригодишни периоди и сравнихме получените изображения. След това създадохме и поредица от карти с постепенно натрупване на информация – първо за три години, после за шест, за девет и така нататък.

Сигналите присъстваха във всички изображения, а с увеличаването на наблюдавания период статистическата им значимост нарастваше. Това не е поведение, което бихме очаквали при систематична грешка, породена от фоновия шум на инструментите.“

Сигнали от Комплекс C и Магелановия поток

Най-убедителният сигнал изглежда идва от Комплекс C – огромен облак от водороден газ, който се движи към диска на Млечния път.

Карта на високоскоростните облаци в Млечния път. Комплекс C се намира в горния десен квадрант. (Westmeier, MNRAS, 2018 г.)

Друг, засега по-несигурен сигнал е регистриран в Магелановия поток – дълга ивица от газ, която се простира зад Големия и Малкия Магеланов облак, докато двете галактики обикалят около Млечния път.

Не се очаква нито една от тези области сама по себе си да произвежда значителни количества позитрони. Това навежда на мисълта, че частиците може да са пристигнали там от друго място, преди да се анихилират. Според авторите те вероятно са напуснали самия Млечен път – обяснение, което обаче поражда нов проблем.

„За да се анихилират ефективно, позитроните трябва да се движат много бавно. Разпространената представа, че антиматерията се движи из Космоса и навсякъде бурно унищожава материята, не отговаря на действителността. Ако позитроните трябва да бъдат бавни, за да се анихилират, те не биха могли да напуснат Млечния път“, обяснява Зигерт.

„Следователно трябва да съществува група позитрони с по-висока енергия, които успяват да напуснат Млечния път и едва след това се забавят в газа на Магелановия поток. Възможността за подобно изтичане на практика не беше очаквана.“

Магелановият поток. (David L. Nidever et al., NRAO/AUI/NSF и Mellinger; LAB Survey; обсерваториите Parkes, Westerbork и Arecibo)

Млечният път може да произвежда много повече антиматерия

Ако това тълкуване на данните се окаже правилно, резултатите ще задълбочат една от най-старите нерешени загадки, свързани с антиматерията.

Астрономите определят колко позитрони произвежда Млечният път, като наблюдават местата, на които частиците се анихилират. Ако обаче част от тях напускат галактиката, преди да се забавят и да се анихилират, действителното производство на позитрони би трябвало да е значително по-високо от сегашните оценки.

Според изчисленията на Зигерт и Йонеда Млечният път може да произвежда около 100 тредецилиона позитрона в секунда, или приблизително 1044 частици. Това е два до три пъти повече от стойностите, получени при други изчисления.

„Начинът, по който тези частици се разпространяват, несъмнено е интересен въпрос. Бих казал обаче, че произходът на позитроните, чието унищожаване наблюдаваме, става още по-загадъчен“, казва Зигерт.

„И сега трудно обясняваме огромния брой позитрони в Млечния път. Ако се окаже, че те са още повече, конвенционалните астрофизични източници вече няма да са достатъчни, за да обяснят произхода им.“

Интригуващ сигнал, но все още не и откритие

Резултатите все още са свързани със значителна несигурност. Най-силният сигнал достига статистическа значимост от 4 сигма. Това означава, че вероятността той да е породен от случайна статистическа флуктуация е приблизително едно към 15 000. За да бъде обявено откритие, във физиката обикновено се изисква сигурност от 5 сигма.

Зигерт е убеден, че сигналът от анихилация е реален, но подчертава, че са необходими нови наблюдения, за да се установи дали неговата сила е измерена правилно.

Бъдещите наблюдения с апарата на NASA Compton Spectrometer and Imager (COSI), чието изстрелване е планирано за 2027 г., би трябвало да покажат дали тези слаби сигнали от анихилация – наречени от Зигерт и Йонеда „интригуващи следи“ – са действителни. Инструментът може да помогне и за проследяването на областите, в които се зараждат позитроните в Млечния път.

Ако резултатите бъдат потвърдени, те ще задълбочат една от най-старите загадки на астрономията, свързани с антиматерията, и ще изправят традиционните астрофизични обяснения пред границите на техните възможности.

„В определен момент може да се наложи да прибегнем до нестандартни модели на тъмната материя, за да обясним подобно количество позитрони – например модели, включващи леки частици тъмна материя“, казва Зигерт.

Изследването е публикувано в научното списание Astronomy & Astrophysics.

Източник: Science Alert; превод и редакция: Владимир Тодоров