Позитроний: новая загадка нашей Галактики

В процессе аннигиляции электрон-позитронных пар (в зависимости от суммарного спина сталкивающихся частиц) испускаются либо два, либо три гамма-кванта. В случае слабого взаимодействия образование большего числа гамма-квантов подавлено из-за малости константы альфа = 1/137, характеризующей интенсивность протекания электромагнитных процессов. Если относительная скорость электрона и позитрона невелика, аннигиляции непосредственно предшествует образование промежуточного связанного атомарного состояния (е+е-) — позитрония. Позитроний нестабилен и распадается на два гамма-кванта в течение 0,1 наносекунды и три гамма-кванта — в течение 100 наносекунд. В естественных условиях процессы аннигиляции могут происходить вблизи космических источников античастиц, например, активных ядер галактик, пульсаров, сверхновых. Поскольку при этом происходит излучение гамма-квантов, одним из способов наблюдения таких процессов является регистрация гамма-излучения. В случае распада позитрония на два гамма-кванта наблюдается излучение на волне 0,024 ангстрема, которому соответствует энергия каждого из квантов 511 КэВ. Спектр двухфотонного излучения имеет вид линии. В отличие от двухфотонного, трехфотонное аннигиляционное излучение имеет непрерывный спектр, лежащий ниже 511 кэВ. Анализ этого спектра в сравнении с интенсивностью линии 511 КэВ четыре года назад позволил ученым сделать вывод о том, что приблизительно 93% всех позитронов аннигилируют с образованием позитрония.

Как сообщает Universe Today, анализ данных европейского космического гамма-телескопа INTEGRAL позволил группе ученых под руководством Юргена Кнодлседера (Jurgen Knodlseder) из Центра исследований космического излучения в Тулузе, Франция, построить наиболее детальную картину галактического излучения на частоте 511 КэВ, которая фактически отражает особенности распределения позитрония в нашей звездной системе. Оказалось, что его количество в центральной области Галактики, которая имеет вид выпуклой линзы, в пять раз больше, чем в самом диске и его спиральных рукавах. Еще более интригующим является тот факт, что в центральной области Галактики до сих пор не обнаружено точечных источников гамма-излучения. Это означает, что позитроны равномерно заполняют эту область пространства, так что в ней каждую секунду аннигилирует около 15 миллиардов тонн материи. Если наличие небольшого количества позитронов в галактическом диске вполне понятно для ученых — это процессы бета-плюс распада изотопов алюминия и титана, которые являются продуктами остатков сверхновых звезд, то источник столь интенсивного и, главное, сферически симметричного гамма-излучения в настоящий момент является загадкой. Расчеты показали, что ни один из 40 известных науке объектов, порождающих позитроны — таких как пульсары, черные дыры, остатки сверхновых, области звездообразования, сверхмассивные звезды, космические лучи, рентгеновские двойные звезды — не может обеспечить наблюдаемую интенсивность аннигиляционных процессов в центральной области Галактики.

Как всегда, в подобных случаях на помощь приходят экзотические теории, выходящие за пределы стандартной физической модели Вселенной. Одна из них предполагает наличие сети сверхпроводящих струн, «вмороженных» в плазму центральной части Галактики. При увеличении кривизны струны до определенного критического значения происходит ее разрыв, и она начинает двигаться поперек силовых линий галактического магнитного поля, порождая при этом, согласно закону Фарадея, потоки движущихся вдоль струны заряженных частиц, включая позитроны. Как только энергия позитронов превосходит 511 КэВ, они отрываются от струны и начинают свободно диффундировать в пространстве, порождая при аннигиляции равномерно заполняющее область гамма-излучение. Автор этой идеи, Танмей Вачаспати (Tanmay Vachaspati) из Кливлендского университета, штат Огайо, считает, что, поскольку интенсивность гамма-излучения в линии 511 КэВ строго пропорциональна мощности магнитного поля Галактики, его теория идеально объясняет наблюдаемые факты.