Na tropie źródeł pozytonów

10 styczeń 2008

Zgodnie z Modelem Standardowym każda cząstka tzw. “zwykłej” materii, z której składamy się my sami oraz wszystko wokół nas (czyli z elektronów, protonów i neutronów, jak i pozostałych) posiada swego odpowiednika w tajemniczej antymaterii. Cząstki te są identyczne, różnią się jednak jednym bardzo ważnym szczegółem – posiadają przeciwne ładunki elektryczne (oraz pozostałe liczby kwantowe). W przypadku elektronu dotyczy to tzw. pozytonu, czyli upraszczając elektronu o ładunku dodatnim. Co prawda nigdy dotąd nie udało się nikomu odkryć tak osławionej, choćby w literaturze science-fiction, antymaterii ani obiektów z niej zbudowanych (choć śladowe ilości wytwarzano w akceleratorach), jednak posiadamy obserwacyjne dane, które potwierdzają przynajmniej istnienie jej składników, i to już od kilkudziesięciu lat.

Przed trzydziestoma laty odkryto, korzystając z detektorów promieniowania gamma umieszczonych na balonach, docierających do granic atmosfery ziemskiej, że mniej więcej od strony centrum naszej Galaktyki docierają do nas właśnie pozytony. Dlaczego dowód uzyskano bazując na promieniowaniu gamma? Otóż teoretyczne podstawy mówią, że podczas spotkania dwóch cząstek sobie przeciwnych (w sensie podziału na materię i antymaterię), czyli weźmy na to elektronu i pozytronu, dochodzi do gwałtownej anihilacji (inaczej mówiąc unicestwienia) obu cząstek, natomiast energia, wyzwolona w tym procesie zostaje wypromieniowana właśnie jako promieniowanie gamma o ściśle określonej energii, równoważnej masie tych cząstek. Bazując na obliczeniach poszukiwano, korzystając ze wspomnianych balonów, błysków gamma (w formie dwóch kwantów gamma) o charakterystycznej energii 511 keV (kiloelektronowoltów), które powstają właśnie podczas anihilacji pary elektron-pozyton.

Samo stwierdzenie istnienia pozytonów to jednak jedno, natomiast źródło ich powstawania dotąd jest bardzo zagadkowe. W pracy, która ukaże się w czasopiśmie fachowym Nature, naukowcy korzystając z satelity INTEGRAL spróbowali po raz kolejny przybliżyć się do odpowiedzi na to pytanie. Dotąd zakładano różne możliwości – rozpad jąder radioaktywnych, jakie powstają w czasie wybuchów supernowych, przypuszczano także, że pozytony powstają w wyniku zderzeń lub rozpadów w tajemniczej ciemnej materii. Żadne z tych założeń jednak nie zgadzało się do końca z danymi obserwacyjnymi.

Naukowcy z zespołu korzystającego z danych obserwacyjnych INTEGRAL wykazali, że pozytony nie są tak równomiernie rozłożone w Galaktyce, jak wydawało się dotąd. Okazało się bowiem, że na “zachód” od centrum Galaktyki odkryto znacznie więcej błysków gamma o charakterystycznej energii niż na “wschód”, mniej więcej dwukrotnie tyle. Zadaje to kłam teoriom związanym z supernowymi, gdyż rozkład materii i gwiazd (a więc także tych wybuchających) jest w Galaktyce mniej więcej równomierny.

Grafika: Korelacja pomiędzy źródłami pozytonów (po lewej) a układami rentgenowskimi (prawa) na tle Galaktyki zaobserwowana przez satelitę INTEGRAL
Źródło grafiki
Credit: ESA/ Integral/ MPE (G. Weidenspointner et al.)

Co więcej, wydaje się, że owa nierównomierność w rozkładzie pozytonów pokrywa się dość dobrze z podobnym rozkładem tzw. podwójnych układów gwiazd rentgenowskich w Galaktyce. Wszystko wskazuje więc na to, że to właśnie te egzotyczne układy muszą być odpowiedzialne za lwią część pozytonów, które rejestrujemy.

Podwójny układ rentgenowski to taki układ, w którym gwiazda zbliżona charakterem do Słońca okrąża się wzajemnie z bardzo upakowanym i gęstym obiektem – gwiazdą neutronową lub też czarną dziurą. Gęsty obiekt posiada olbrzymią grawitację, wysysa więc z gwiazdy gaz – jednak ten nie opada bezpośrednio na czarną dziurę, względnie gwiazdę neutronową, lecz tworzy spiralny dysk (tzw. dysk akrecyjny), w którym gaz przybliża się po malejącej orbicie do obiektu. Podczas tego procesu gaz ogrzewa się do niebotycznych temperatur, co powoduje, że zaczyna jasno świecić w twardym promieniowaniu rentgenowskim. Energia światła może być tak potężna, że dochodzi do procesu odwrotnego do anihilacji – dwa fotony zderzając się wytwarzają parę cząstek elektron-pozytron.