часть 2 из 4
см. часть 1 часть 3 часть 4

Гипотезы рождения позитронов

Спектр аннигиляционного излучения центральной зоны Галактики. Красная кривая показывает вклад пара-позитрония, чёрная — орто-позитрония (внизу).

Самый естественный механизм — рождение позитронов при ядерных превращениях вещества, например, при распаде радиоактивных изотопов ²⁶Аl или ⁵⁶Co, возникающих во время вспышек сверхновых или новых звёзд. Никто не сомневается, что такой процесс действительно происходит в Галактике, но неизвестно, обеспечивает ли он доминирующий вклад в наблюдаемое аннигиляционное излучение. Например, важным поставщиком изотопа ²⁶Аl являются вспышки сверхновых второго типа (конечной стадии эволюции массивных звёзд), которые "живут" главным образом в диске нашей Галактики. Можно было бы предположить, что диск Галактики и должен быть особенно ярок в аннигиляционном излучении. Однако карты, полученные обсерваторией, скорее говорят о том, что наиболее мощным источником позитронов служит не диск Галактики, а её центральная область, где мало массивных звёзд (рис. 2). С этой точки зрения предпочтительна гипотеза, согласно которой позитроны порождаются термоядерными взрывами гораздо менее массивных и более старых звёзд. Были и более смелые предположения, например, что позитроны рождаются при взаимодействии космических лучей с нейтральным или молекулярным газом, либо в ближайшей окрестности чёрных дыр или нейтронных звёзд. Но самой экзотической стала гипотеза, согласно которой позитроны рождаются при аннигиляции частиц тёмной материи, чья плотность должна быть максимальна в центральной зоне Галактики. Концепция "тёмной" материи возникла в астрофизике достаточно давно — измерения масс галактик и их скоплений неизменно приводили к значениям, значительно превышающим массу звёзд и газа, видимых с помощью телескопов. Современная астрофизика постулирует наличие слабовзаимодействующих частиц (тёмной материи): вещества, которое имеет массу, но которое нельзя (или сложно) увидеть. Хотя природа тёмной материи пока понята недостаточно, теория допускает, что она может порождать и позитроны. Вышесказанное предполагает пересмотр многих общепринятых взглядов в современной физике, но именно поэтому гипотеза и интересна.

Два типа позитрония

Одним из этапов на пути понимания природы позитронов в Галактике стало исследование параметров среды, в которой происходит аннигиляция позитронов. Практически все процессы рождения позитронов приводят к образованию "горячих" позитронов, т.е. частиц, чья кинетическая энергия сравнима или превышает их массу покоя. При этом вероятность аннигиляции достаточно мала, и позитроны, как правило, успевают потерять значительную часть своей энергии до того, как произойдёт аннигиляция. Время между рождением и аннигиляцией может составлять от десятков тысяч до миллионов лет, в течение которых позитрон дрейфует от места своего рождения до места исчезновения. Если вещество вокруг позитрона достаточно холодное, то до аннигиляции позитрон захватывает электрон и образует так называемый "позитроний" (аналог атома водорода), в котором роль положительно заряженного ядра (протона в случае атома водорода) выполняет позитрон. Просуществовав недолгое время, позитроний, наконец, аннигилирует, испуская жёсткие гамма-лучи. Различают два типа позитрония — пара-позитроний и орто-позитроний, отличающихся взаимной ориентацией спинов электрона и позитрона. Пара-позитроний порождает два фотона с энергией 511 кэВ, тогда как орто-позитроний аннигилирует с образованием трёх 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 (рис. 2 и 3). Альтернативой аннигиляции через образование позитрония служит прямая аннигиляция, когда электрон и позитрон погибают "на лету́", порождая два фотона. Оказывается, что доля прямых аннигиляций и ширина возникающей линии 511 кэВ чувствительны к температуре среды и степени её ионизации. Спектрометр SPI выполнил рекордные по точности измерения спектра аннигиляционного излучения. Выяснилось, что данные наблюдений лучше всего совместимы с аннигиляцией позитронов в "тёплой" фазе межзвёздной среды с характерной температурой порядка 8 тыс. K и степенью ионизации среды порядка 10%. Среда с такими параметрами действительно часто встречается в Галактике, и на неё приходится значительная доля массы газа. А вот в самой горячей фазе межзвёздной среды, имеющей температуру порядка миллиона градусов и заполняющей значительный объём, аннигиляция почти не происходит — доля позитронов, погибающих в этой фазе, не превосходит 10%.

Кроме того, измеряя энергию аннигиляционной линии и её ширину, мы можем сказать, что позитроны погибают в среде, которая как целое движется относительно Земли со скоростью, не превышающей 40-50 км/с. Действительно, измеренная энергия центра линии совпадает с энергией покоя электрона/позитрона с очень высокой точностью: E/mc² = 0,99991±0,00015. При общей скорости движения среды относительно нас более 50 км/с эффект Доплера вызвал бы более значительное расхождение. Аналогично, наблюдаемая ширина линии показывает, что разброс внутренних скоростей в среде не превышает 800 км/с.

Все факты свидетельствуют о том, что производство позитронов не связано с самыми массивными звёздами в диске Галактики. Наблюдаемое аннигиляционное излучение концентрируется в её центральной области размером около килопарсека. При этом аннигиляция происходит скорее всего в диффузной среде. Модели, связывающие позитроны с маломассивными звёздами или тёмной материей, выглядят предпочтительными. Задача, которая сейчас стоит перед обсерваторией, — попытаться найти надёжные свидетельства за или против предложенных моделей.