Himmelskart over den best tilpassede ‘halo + disk’-modellen for 511 keV gamma-ray line emission. Bildekreditt: INTEGRAL. Klikk for å forstørre.
Positronen, antistoffets motstykke til elektronet, ble spådd av Paul Diracs - den gang revolusjonerende - kvantebølgeforlikningen for elektronet. Noen år senere, i 1932, oppdaget Carl Anderson positronen i kosmiske stråler, og Dirac fikk Nobelprisen i 1933 og Anderson i 1936.
Når en positron møter et elektron, utslettes de og produserer to gammastråler. Noen ganger går imidlertid utslettelsen av dannelse av positronium, som er som et hydrogenatom med protonet erstattet av et positron (positronium har sitt eget symbol, Ps). Positronium kommer i to former, er ustabil og forfaller til enten to gammas (innen ca. 0,1 nanosekunder) eller tre (innen omtrent 100 nanosekunder).
Astronomer har visst siden 1970-tallet at det må være mye positroner i universet. Hvorfor? For når en positron og elektron ødelegger for å gi to gammas, begge har samme bølgelengde, omtrent 0,024 Å, eller 0,0024 nm (astronomer, som partikkelfysikere, snakker ikke om bølgelengdene til gammastråler, snakker de om energien deres; 511 keV i dette tilfellet). Så hvis du ser på himmelen med gammastråle-syn - ovenfra atmosfæren selvfølgelig! - du vet at det var mange positroner fordi du kan se mange gammas av en enkelt 'farge', 511 keV (det ligner på å konkludere at det er mye hydrogen i universet ved å legge merke til mye rødt (1,9 eV) H alfa i nattehimmel).
Fra spekteret av tre-gamma-forfallet til positronium, sammenlignet med 511 keV-linjens intensitet, regnet astronomer for fire år siden at omtrent 93% av positroner hvis utslettelse vi ser danner positronium før de forfaller.
Hvor mye positronium? I Melkeveien utbuktes, blir omtrent 15 milliarder (tusen millioner) tonn positron utslettet hvert sekund. Det er like mye masse som elektronene i titalls billioner tonn ting vi er vant til, som steiner eller vann; omtrent like mye som i en mellomstor asteroide, 40 km over.
Ved å analysere de offentliggjorte INTEGRAL-dataene (omtrent ett års tid) fant J? Rgen Kn? Dlseder og kollegene at:
- positronene som blir tilintetgjort på Melkeveiskiven kommer sannsynligvis fra beta + (dvs. positron) forfallet av isotopen Aluminium-26 og Titanium-44, som selv ble produsert i nyere supernovaer (husk, astronomer kaller til og med 10 millioner år siden 'nylig')
- det er imidlertid flere positroner som blir tilintetgjort i Melkeveien utbuktet enn på disken, med en faktor på fem
- det ser ikke ut til å være noen "poeng" -kilder.
For en INTEGRAL forsker har en "poeng" kilde selvfølgelig ikke helt den samme betydningen som for en amatørastronom! Gamma-ray-visjon i positronium-linjen er utrolig uskarp, et objekt seks måner på tvers (3?) Ville sett ut som et ‘poeng’! Ikke desto mindre kan Kn? Dlseder og hans team av astrofysiske sleuths si at "ingen av kildene vi søkte etter viste en betydelig 511 keV-fluks"; disse 40 ‘vanlige mistenkte’ inkluderer pulsarer, kvasarer, sorte hull, supernovaerester, stjernedannende regioner, rike galakse-klynger, satellittgalakser og blazars. Men de ser fremdeles, “Vi har faktisk [planlagt] dedikert INTEGRAL observasjoner av de vanlige mistenkte, for eksempel Type Ia-supernovaer (SN1006, Tycho) og LMXB (Cen X-4) som kan bidra til å løse dette problemet .”
Så hvor kommer de 15 milliarder tonn positronene som blir tilintetgjort hvert sekund i bula? "For meg er det viktigste med positron-utslettelsen at den viktigste kilden fremdeles er et mysterium," sier Kndlseder. ”Vi kan forklare den svake utslippet fra disken ved forfall av aluminium-26, men hoveddelen av positroner ligger i buleområdet i Galaxy, og vi har ingen kilde som lett kan forklare alle observasjonsegenskaper. Hvis du sammenligner 511 keV-himmelen med himmelen som observeres ved andre bølgelengder, er du spesielt klar over at 511 keV-himmelen er unik! Det er ingen annen himmel som ligner det vi observerer. ”
INTEGRAL-teamet føler at de kan utelukke massive stjerner, kollapsar, pulsars eller kosmiske stråleinteraksjoner, for hvis dette var kilden til bulepostroner, ville disken være mye lysere i 511 keV-lys.
Utbuende positroner kan komme fra røntgenstrålingsbinarier med lav masse, klassiske novaer eller type 1a supernovaer, gjennom en rekke prosesser. Utfordringen i hvert tilfelle er å forstå hvordan tilstrekkelige positroner skapt av disse kunne overleve lenge nok etterpå og diffundere langt nok fra fødestedene.
Hva med kosmiske strenger? Mens det nylige Tanmay Vachaspati-papiret som foreslo disse som en mulig kilde til utbuksingsposisjonene, kom for nylig ut for Kn? Dlseder et al. å ta i betraktning for sin artikkel, “For meg er det likevel ikke åpenbart at vi har nok observasjonsbegrensninger til å si at kosmiske strenger gjør 511 keV; vi vet ikke en gang om det eksisterer kosmiske strenger. Man trenger et unikt kjennetegn på kosmiske strenger som utelukker alle andre kilder, og i dag tror jeg vi er langt fra dette. ”
Kanskje mest spennende kan positronene komme fra utslettelsen av en mørkstoffpartikkel med lav masse og dens antipartikkel, eller som Kn? Dlseder et al. sette det “Lyst mørk materie (1-100 MeV) utslettelse, slik det nylig ble antydet av Boehm et al. (2004), er sannsynligvis den mest eksotiske, men også den mest spennende kandidatkilden til galaktiske positroner. ” Mørk materie er enda mer eksotisk enn positronium; mørk materie er ikke antimateriale, og ingen har klart å fange den, enn si å studere den på et laboratorium. Astronomer aksepterer at det er allestedsnærværende og å spore naturen er et av de hotteste temaene innen både astrofysikk og partikkelfysikk. Hvis milliarder av tonn per sekund positroner som er tilintetgjort i Melkeveien, ikke kan komme fra klassiske novaer eller termonukleære supernovaer, er kanskje god gammel mørk materie å klandre.
