All-sky karta över den bästa passande 'halo + disk' modellen för 511 keV gammastrålning. Bildkredit: INTEGRAL. Klicka för att förstora.
Positronen, antikroppens motstycke till elektronen, förutsades av Paul Diracs - vid den tid revolutionerande - kvantvågekvationen för elektronen. Några år senare, 1932, upptäckte Carl Anderson positronen i kosmiska strålar, och Dirac fick Nobelpriset 1933 och Anderson 1936.
När en positron möter en elektron förintas de och producerar två gammastrålar. Ibland föregås dock förintelsen av positronium, som är som en väteatom med protonen ersatt av en positron (positronium har sin egen symbol, Ps). Positronium finns i två former, är instabil och sönderfaller antingen i två gammas (inom cirka 0,1 nanosekunder) eller tre (inom cirka 100 nanosekunder).
Astronomer har visat sedan 1970-talet att det måste finnas många positroner i universum. Varför? För när en positron och elektron förintas för att ge två gammas, båda har samma våglängd, cirka 0,024 Å, eller 0,0024 nm (astronomer, som partikelfysiker, pratar inte om våglängderna för gammastrålar, de pratar om deras energi; 511 keV i det här fallet). Så om du tittar på himlen med gammastrålsyn - naturligtvis ovanför atmosfären! - du vet att det fanns massor av positroner eftersom du kan se massor av gammas av en enda 'färg', 511 keV (det liknar att dra slutsatsen att det finns massor av väte i universum genom att märka massor av rött (1,9 eV) H alfa i natthimlen).
Från spektrumet för tre-gamma-sönderfallet av positronium, jämfört med 511 keV-linjens intensitet, arbetade astronomer för fyra år sedan att cirka 93% av positroner vars förintelse vi ser bildar positronium innan de förfaller.
Hur mycket positronium? I Vintergatan utbuktas cirka 15 miljarder (tusen miljoner) ton positroner varje sekund. Det är lika mycket som elektronerna i tiotals biljoner ton saker vi är vana vid, som stenar eller vatten; ungefär lika mycket som i en medelstor asteroid, 40 km över.
Genom att analysera de publicerade INTEGRAL-uppgifterna (ungefär ett års värde), fann J? Rgen Kn? Dlseder och hans kollegor att:
- de positroner som förintas i mjölkvägskivan kommer troligen från beta + (dvs. positron) förfall av isotoperna Aluminium-26 och Titanium-44, som själva producerades i nyligen supernovaer (kom ihåg, astronomer kallar till och med 10 miljoner år sedan 'nyligen')
- emellertid finns det fler positroner som förintas i Vintergropen än på disken, med en faktor fem
- det verkar inte finnas några "punkt" -källor.
För en INTEGRAL forskare har en "punkt" -källa naturligtvis inte samma betydelse som för en amatörastronom! Gamma-ray vision i positronium-linjen är otroligt oskarp, ett objekt sex månar över (3?) Skulle se ut som en "punkt"! Icke desto mindre kan Kn? Dlseder och hans team av astrofysikerna säga att "ingen av de källor vi letade efter visade ett betydande 511 keV-flöde"; dessa 40 "vanliga misstänkta" inkluderar pulsarer, kvasarer, svarta hål, rester av supernovaer, stjärnbildande regioner, rika galaxkluster, satellitgalaxer och blazarer. Men de tittar fortfarande på, ”Vi har verkligen [planerat] dedikerade INTEGRALA observationer av de vanliga misstänkta, till exempel supernovor av typen Ia (SN1006, Tycho) och LMXB (Cen X-4) som kan hjälpa till att lösa detta problem ”.
Så var kommer de 15 miljarder ton positroner som utrotas varje sekund i bukten? "För mig är det viktigaste med positron-förintelsen att den huvudsakliga källan fortfarande är ett mysterium," säger Kn? Dlseder. ”Vi kan förklara den svaga utsläppet från skivan med förfall av aluminium-26, men huvuddelen av positroner finns i utbuktningsområdet i galaxen, och vi har ingen källa som lätt kan förklara alla observationsegenskaper. Särskilt om du jämför 511 keV-himlen med himlen som observerats vid andra våglängder, inser du att 511 keV-himlen är unik! Det finns ingen annan himmel som liknar det vi ser. ”
INTEGRAL-teamet känner att de kan utesluta massiva stjärnor, kollapsar, pulsars eller kosmiska strålningsinteraktioner, för om dessa var källan till utbuktningspositroner, skulle skivan vara mycket ljusare i 511 keV-ljus.
Utbuktningspositronerna kan komma från röntgenbinarier med låg massa, klassiska novéer eller supernovaer av typ 1a, genom en mängd olika processer. Utmaningen i båda fallen är att förstå hur tillräckliga positroner som skapats av dessa kan överleva tillräckligt länge efteråt och diffundera tillräckligt långt från deras födelseplatser.
Vad sägs om kosmiska strängar? Medan det senaste Tanmay Vachaspati-papperet som föreslog dessa som en möjlig källa till utbuktningspositronerna kom ut för nyligen för Kn? Dlseder et al. att tänka på för sitt uppsats, ”Men för mig är det inte uppenbart att vi har tillräckliga observationsbegränsningar för att säga att kosmiska strängar gör 511 keV; vi vet inte ens om det finns kosmiska strängar. Man skulle behöva en unik egenskap hos kosmiska strängar som utesluter alla andra källor, och idag tror jag att vi är långt ifrån detta. ”
Kanske mest spännande kan positronerna komma från förintelsen av en mörkmassa-partikel med låg massa och dess antipartikel, eller som Kn? Dlseder et al. uttryckte det ”Ljust mörkt materia (1-100 MeV) förintelse, som nyligen föreslogs av Boehm et al. (2004), är förmodligen den mest exotiska men också den mest spännande kandidatkällan för galaktiska positroner. ” Mörk materia är ännu mer exotisk än positronium; mörk materia är inte antimateria, och ingen har kunnat fånga den, än mindre studera den i ett labb. Astronomer accepterar att det är allestädes närvarande och att spåra dess natur är ett av de hetaste ämnena inom både astrofysik och partikelfysik. Om miljarder ton per sekund positroner som förintas i mjölkvägens utbuktning inte kan komma från klassiska novéer eller termonukleära supernovaer, är kanske god gammal mörk materia att skylla.
