Астрономы обнаружили возможные внегалактические источники аннигиляции позитронов

Антиматерия остается одной из самых загадочных составляющих современной физики. Несмотря на то что ученые уже много десятилетий умеют получать античастицы в лабораториях и регулярно наблюдают их в космосе, происхождение значительной части космической антиматерии до сих пор остается предметом активных исследований. Новая работа международной группы астрономов указывает на то, что источников антиматерии во Вселенной может быть значительно больше, чем предполагалось ранее. Более того, результаты исследования заставляют пересмотреть существующие оценки количества позитронов, которые рождаются в нашей собственной галактике.

Исследование опубликовано в журнале Astronomy & Astrophysics и основано на анализе более чем двадцатилетних наблюдений космической гамма-обсерватории INTEGRAL Европейского космического агентства. За это время аппарат собрал крупнейший массив данных о гамма-излучении с характерной энергией 511 килоэлектронвольт — своеобразной «подписи», возникающей при встрече материи и антиматерии.

Позитрон представляет собой античастицу электрона. Он обладает такой же массой, но противоположным электрическим зарядом. При столкновении электрона и позитрона обе частицы полностью исчезают, превращаясь в гамма-кванты. Этот процесс называется аннигиляцией.

Именно благодаря фиксированной энергии возникающего гамма-излучения астрономы способны определять области, где подобные столкновения происходят наиболее активно. Линия излучения 511 кэВ считается одним из важнейших инструментов изучения распределения антиматерии во Вселенной.

До настоящего времени основными источниками такого сигнала считались центральная область Млечного Пути и его галактический диск. Именно там сосредоточено огромное количество звезд, белых карликов, нейтронных звезд, черных дыр и других объектов, способных производить позитроны в результате различных высокоэнергетических процессов.

Однако происхождение большей части этих античастиц до сих пор остается неясным. За последние десятилетия ученые предложили множество возможных механизмов их образования. Среди наиболее вероятных рассматриваются взрывы сверхновых, радиоактивный распад нестабильных элементов, взаимодействия космических лучей с межзвездным веществом, активность пульсаров, аккреционные процессы возле черных дыр и даже гипотетические процессы, связанные с темной материей.

Новое исследование добавляет к этому списку еще одну интригующую возможность. Используя обновленную карту гамма-излучения, построенную по данным спектрометра SPI на борту INTEGRAL, исследователи решили сосредоточиться не на ярких областях Млечного Пути, а на значительно более слабых сигналах за пределами галактической плоскости. Для этого они специально замаскировали наиболее яркие участки карты, чтобы выделить слабые области с низкой поверхностной яркостью.

После этого полученные горячие точки были сопоставлены с расположением близлежащих галактик, скоплений галактик, высокоскоростных облаков газа и Магелланова потока — гигантской газовой структуры, окружающей Млечный Путь.

Результаты оказались неожиданными. Исследователи обнаружили несколько областей, где гамма-сигнал с энергией 511 кэВ совпадал с объектами, расположенными далеко за пределами привычных источников антиматерии. Особенно интересными оказались две наиболее яркие горячие точки, совпавшие с Магеллановым потоком и крупным газовым образованием, известным как Комплекс С.

Магелланов поток представляет собой огромную ленту газа, протянувшуюся на сотни тысяч световых лет вслед за Большим и Малым Магеллановыми Облаками, которые продолжают двигаться вокруг нашей галактики. До сих пор считалось, что этот газ играет важную роль в эволюции Млечного Пути, однако теперь он может оказаться еще и своеобразной ловушкой для антиматерии.

Авторы исследования предполагают, что позитроны способны покидать пределы галактического диска значительно эффективнее, чем считалось ранее. Попадая в окружающие газовые облака, они сталкиваются с электронами, вызывая аннигиляцию и испуская характерное гамма-излучение.

Подобная интерпретация существенно меняет существующие представления о распространении антиматерии в галактике. Ранее большинство моделей предполагало, что позитроны теряют энергию достаточно быстро и аннигилируют еще внутри Млечного Пути, не успевая преодолеть столь большие расстояния.

Если же новая интерпретация окажется верной, это означает, что позитроны способны путешествовать значительно дальше, а общее их количество, производимое в галактике, может быть существенно выше существующих оценок.

Согласно расчетам авторов, скорость образования позитронов в Млечном Пути может превышать прежние значения примерно в два-три раза. Дополнительный интерес представляют четыре более слабые горячие точки, совпавшие с направлениями на крупные скопления галактик. Среди них выделяются области Андромеды, Большой Медведицы, Гидры и Девы.

Не исключено, что часть зарегистрированного сигнала действительно поступает от ближайших галактик или их групп. Если это подтвердится, ученые впервые получат возможность изучать процессы аннигиляции позитронов далеко за пределами нашей галактики.

Исследователи также оценили возможный вклад подобных процессов в общий космический гамма-фон. По предварительным расчетам, суммарное внегалактическое излучение при энергии 511 кэВ может составлять около одного процента от общего гамма-фона Вселенной. При более высоких энергиях этот вклад при определенных условиях способен превышать десять процентов. Тем не менее авторы исследования подчеркивают, что полученные результаты пока нельзя считать окончательными.

Главная проблема заключается в чрезвычайной слабости наблюдаемого сигнала. Для построения подобных карт используется сложная математическая реконструкция изображений, а при обработке настолько слабых данных всегда существует вероятность появления ложных структур — так называемых артефактов.

Дополнительную сложность создает и сама работа космической обсерватории INTEGRAL. За двадцать лет наблюдений разные области неба изучались с неодинаковой продолжительностью. Одни участки получили значительно больше времени наблюдений, чем другие. Это приводит к неоднородной чувствительности карты и может влиять на достоверность отдельных слабых источников.

Несмотря на эти ограничения, исследователи считают маловероятным, что все обнаруженные горячие точки являются исключительно результатом статистических флуктуаций или особенностей обработки данных. Их пространственное совпадение с известными астрофизическими структурами выглядит слишком закономерным, чтобы полностью объясняться случайностью.

Окончательно подтвердить существование внегалактических источников аннигиляции позитронов смогут только новые наблюдения. Большие надежды ученые связывают с будущей космической миссией COSI, запуск которой NASA планирует осуществить в 2027 году. Новый гамма-телескоп будет обладать значительно более высокой чувствительностью и сможет выполнять равномерный обзор всего неба в диапазоне энергий, где происходит регистрация аннигиляционного излучения.

Если COSI подтвердит существование обнаруженных горячих точек, астрономы получат первые надежные доказательства того, что процессы аннигиляции позитронов происходят не только внутри Млечного Пути, но и в окружающих его внегалактических структурах.

Подобные результаты окажут влияние сразу на несколько направлений современной астрофизики. Они помогут уточнить происхождение космической антиматерии, понять механизмы распространения позитронов в межгалактической среде, проверить модели эволюции галактик и приблизиться к решению одной из наиболее давних загадок высокоэнергетической астрофизики — происхождения загадочного гамма-излучения с энергией 511 кэВ.

Главный вывод исследования заключается в том, что распределение антиматерии во Вселенной может оказаться значительно более сложным, чем предполагалось ранее. Даже если часть обнаруженных сигналов впоследствии окажется следствием особенностей обработки данных, сама работа демонстрирует возможности современных гамма-обсерваторий и показывает, что многолетние наблюдения способны выявлять новые, крайне редкие астрофизические явления, остававшиеся незаметными на протяжении десятилетий.