Откуда в атмосфере Земли обилие антиматерии?

В 2008 году космический прибор PAMELA обнаружил в атмосфере Земли избыток частиц, называемых позитронами. Эти частицы являются формой антиматерии — вещества, противоположного нормальной материи. Когда позитрон встречается с противоположной ему частицей, они могут аннигилировать и исчезнуть, вызвав крошечный энергетический всплеск, включающий легко фиксируемые гамма-лучи.

Установление источника этого странного обилия позитронов поможет ученым понять явления высокой энергии в соседней Вселенной и раскрыть некоторые из величайших физических тайн.

Долгое время считалось, что частицы поступают из соседних пульсаров или быстро вращающихся тел прежде крупных звезд. Но, согласно выводам нового исследования, это может быть нечто более экзотическое — например, взаимодействие таинственной субстанции, известной как темная материя.
«Когда я начал эту работу, я действительно думал, что это пульсары, — говорит автор исследования Рубен Лопес Кото из Института ядерной физики им. Макса Планка. — Но, как оказалось, они не могут обеспечить наблюдаемое количество позитронов».

Новые выводы стали предметом споров между астрономами и физиками. По словам Дэна Хупера из Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми, измерения команды являются надежными, однако интерпретация полученных данных вызывает вопросы. «Я убежден, что пульсары вносят значительный вклад в локальный избыток позитронов и склонен придерживаться прежней версии», — говорит Хупер.

Антиматериальные двигатели

Позитроны являются антиматериальными противоположностями электронов, которые являются фундаментальной частью обычной материи, с которой мы взаимодействуем на Земле. В нашей природе позитронов не так много, но яростная космическая среда, полная мертвых и умирающих звезд, может создавать пары электронов и позитронов. Пульсары известны как ускорители частиц. Вращаясь со скоростью более 700 оборотов в секунду, они воздействуют на свое окружение, сталкивая частицы друг с другом. Если позитроны имеют достаточную скорость и энергию, они могут «сбежать» от пульсара и совершить космическое путешествие. Иногда они достигают Земли и производят гамма-лучи, которые ученые могут легко обнаружить.
Новые данные были получены с помощью Высокогорного эксперимента по поиску эффекта Черенкова (HAWC). Обсерватория, состоящая из 300 больших резервуаров с водой, установлена между двумя вулканами в Мексиканском национальном парке Пико де Орисаба. Когда высокоэнергетические космические частицы попадают в резервуары, то генерируют сиюминутные вспышки света, указывающие путь к источнику.

С 2015 года HAWC собирает эти частицы и изучает их космические источники. На протяжении 17 месяцев ученые наблюдали высокоэнергетические гамма-лучи, выброшенные в направлении Земли двумя соседними пульсарами, называемыми Geminga и Monogem. Благодаря обратному отслеживанию гамма-лучей команда HAWC смогла рассчитать, как быстро частицы двигались в районах этих пульсаров. Оказалось, что скорости движения позитронов возле пульсаров недостаточно, чтобы добраться до Земли. По мнению ученых, это может означать, что межзвездная среда возле Geminga и Monogem особенно темная и препятствует быстрому движению частиц.

Если это так, команда утверждает, что следует учитывать другие пульсары и типы космических ускорителей, такие как микроквазары и остатки сверхновых, либо аннигиляцию или распад частиц темной материи.
Однако ученые, которые придерживаются прежней версии, говорят, что непроницаемость межзвездной среды будет аналогично воздействовать и на остатки сверхновой, ближайшая из которых расположена в 250 парсеках от пульсаров, а темная материя составляет огромное большинство массы Вселенной, и если она причастна к образованию частиц, то признаки такой аннигиляции должны быть повсюду, а их нет.

Исследование опубликовано в журнале Science.