خريطة لكل السماء من أفضل نموذج "هالة + قرص" مناسب لانبعاث خط أشعة غاما 511 كيلوفولت. حقوق الصورة: INTEGRAL. اضغط للتكبير.
البوزيترون ، النظير المضاد للمادة للإلكترون ، تنبأت به معادلة بول ديراك - في وقت الثورة - معادلة الموجة الكمومية للإلكترون. بعد بضع سنوات ، في عام 1932 ، اكتشف كارل أندرسون البوزيترون في الأشعة الكونية ، وحصل ديراك على جائزة نوبل في عام 1933 وأندرسون في عام 1936.
عندما يلتقي بوزيترون مع الإلكترون ، فإنه يهلك ، وينتج أشعة جاما. في بعض الأحيان ، يسبق الإبادة تكوين بوزيترونيوم ، الذي يشبه ذرة الهيدروجين مع استبدال البروتون بوزيترون (البوزيترونيوم له رمز خاص به ، Ps). يأتي Positronium في شكلين ، وهو غير مستقر ، ويتحلل إما إلى جاما (في حدود 0.1 نانو ثانية تقريبًا) أو ثلاثة (في حوالي 100 نانو ثانية).
لقد عرف الفلكيون منذ السبعينيات أنه يجب أن يكون هناك الكثير من البوزيترونات في الكون. لماذا ا؟ لأنه عندما يهلك البوزيترون والإلكترون لإعطاء جاما ، كلاهما لهما نفس الطول الموجي ، حوالي 0.024 Å ، أو 0.0024 نانومتر (الفلكيون ، مثل فيزيائيي الجسيمات ، لا يتحدثون عن الأطوال الموجية لأشعة جاما ، يتحدثون عن طاقتهم ؛ 511 keV في هذه الحالة). لذا ، إذا نظرت إلى السماء برؤية أشعة غاما - من فوق الغلاف الجوي بالطبع! - تعلم أنه كان هناك الكثير من البوزيترونات لأنه يمكنك رؤية الكثير من جاما من لون واحد ، 511 كيلوفولت (يشبه استنتاج وجود الكثير من الهيدروجين في الكون من خلال ملاحظة الكثير من ألفا الأحمر (1.9 eV) H في سماء الليل).
من طيف اضمحلال البوزيترونيوم بثلاث جاما ، مقارنة مع كثافة خط 511 كيلوفولت ، اكتشف الفلكيون قبل أربع سنوات أن حوالي 93٪ من البوزيترونات التي نراها إبادة تشكل شكل بوزيترونيوم قبل أن تتحلل.
كم بوزيترونيوم؟ في تضخم درب التبانة ، يتم إبادة حوالي 15 مليار (ألف مليون) طن من البوزيترونات كل ثانية. هذه الكتلة مثل كتلة الإلكترونات في عشرات تريليونات الأطنان من الأشياء التي اعتدنا عليها ، مثل الصخور أو الماء ، تقريبًا كما هو الحال مع كويكب متوسط الحجم يبلغ عرضه 40 كيلومترًا.
من خلال تحليل بيانات INTEGRAL التي تم نشرها بشكل عام (تبلغ قيمتها حوالي سنة واحدة) ، وجد J؟ rgen Kn؟ dlseder وزملاؤه ما يلي:
- من المحتمل أن تأتي البوزيترونات التي تم إبادةها في قرص درب التبانة من انحلال بيتا + (أي بوزيترون) للنظائر الألومنيوم -26 وتيتانيوم -44 ، والتي تم إنتاجها هي نفسها في المستعرات الأعظمية الحديثة (تذكر أن علماء الفلك يدعون حتى قبل 10 ملايين سنة 'الأخيرة')
- ومع ذلك ، هناك المزيد من البوزيترونات التي تم إبادةها في انتفاخ درب التبانة أكثر من القرص ، بعامل خمسة
- لا يبدو أن هناك أي مصادر "نقطة".
بالطبع ، بالنسبة لعالم INTEGRAL ، فإن مصدر "النقطة" ليس له نفس المعنى تمامًا كما هو الحال بالنسبة لعلماء الفلك الهواة! رؤية أشعة جاما في خط البوزيترونيوم ضبابية بشكل لا يصدق ، سيبدو جسم ستة أقمار عرضية (3؟) بمثابة "نقطة"! ومع ذلك ، فإن Kn؟ dlseder وفريقه من خبراء الفيزياء الفلكية قادرون على القول "لم يظهر أي من المصادر التي بحثنا عنها تدفقا كبيرا 511 كيلوفولت" يشمل هؤلاء الـ 40 "المشتبه بهم المعتادون" النجوم النابضة ، والنجوم الزائفة ، والثقوب السوداء ، وبقايا المستعرات الأعظمية ، ومناطق تشكل النجوم ، ومجموعات المجرات الغنية ، والمجرات الساتلية ، والبلزارات. لكنهم ما زالوا يبحثون ، "لقد قمنا بالفعل [بالتخطيط] لعمليات رصد متكاملة مكرسة للمشتبه بهم المعتادين ، مثل المستعرات الأعظمية من النوع Ia (SN1006 ، Tycho) ، و LMXB (Cen X-4) والتي قد تساعد في حل هذه المشكلة . "
إذن ، من أين يتم إبادة الـ 15 مليار طن من البوزيترونات كل ثانية في الانتفاخ؟ يقول Kn؟ dlseder: "بالنسبة لي أهم شيء في إبادة البوزيترون هو أن المصدر الرئيسي لا يزال لغزا." يمكننا أن نفسر الانبعاث الخافت من القرص من خلال انحلال الألمنيوم -26 ، لكن الجزء الأكبر من البوزيترونات يقع في منطقة انتفاخ المجرة ، وليس لدينا مصدر يمكنه بسهولة تفسير جميع خصائص المراقبة. على وجه الخصوص ، إذا قارنت سماء 511 keV بالسماء المرصودة في أطوال موجية أخرى ، فأنت تدرك أن سماء 511 keV فريدة من نوعها! لا توجد سماء أخرى تشبه ما نلاحظه ".
يشعر فريق INTEGRAL أنه يمكنهم استبعاد تفاعلات النجوم أو اللفات أو النجوم النابضة أو الأشعة الكونية الضخمة ، لأنه إذا كان هذا مصدرًا لانتفاخ البوزيترونات ، فإن القرص سيكون أكثر سطوعًا في ضوء 511 كيلو فولت.
قد تأتي البوزيترونات المنتفخة من ثنائيات الأشعة السينية منخفضة الكتلة ، أو نوفا الكلاسيكية ، أو المستعرات الأعظمية من النوع 1 أ ، من خلال مجموعة متنوعة من العمليات. يكمن التحدي في كل حالة في فهم كيف يمكن للبوزترونات الكافية التي أنشأتها هذه البقاء على قيد الحياة لفترة طويلة بما يكفي بعد ذلك والانتشار بعيدًا بما يكفي عن أماكن ولادتها.
ماذا عن الأوتار الكونية؟ في حين أن ورقة Tanmay Vachaspati الأخيرة التي تقترح هذه كمصدر محتمل لانتفاخ البوزيترونات ظهرت مؤخرًا لـ Kn ؟lsder et al. للتفكير في ورقتهم ، "ومع ذلك ، ليس من الواضح بالنسبة لي أن لدينا ما يكفي من قيود المراقبة للإشارة إلى أن السلاسل الكونية تصنع 511 كيلو فولت. لا نعرف حتى ما إذا كانت السلاسل الكونية موجودة. قد يحتاج المرء إلى خاصية فريدة من السلاسل الكونية التي تستبعد جميع المصادر الأخرى ، واليوم أعتقد أننا بعيدون عن هذا ".
ربما يكون الأمر الأكثر إثارة هو أن البوزيترونات قد تأتي من إبادة جزيء المادة المظلمة منخفض الكتلة ومضاد الجسيم ، أو مثل Kn؟ dlseder et al. وضعه "إبادة المادة المظلمة الخفيفة (1-100 MeV) ، كما اقترح مؤخرًا Boehm et al. (2004) ، ربما يكون المصدر الأكثر غرابة ولكنه أيضًا أكثر المصادر المرشحة إثارة للبوزيترونات المجرة ". المادة المظلمة أكثر غرابة من البوزيترونيوم. المادة المظلمة ليست مضادة للمادة ، ولم يتمكن أحد من التقاطها ، ناهيك عن دراستها في المختبر. يقبل الفلكيون أنها موجودة في كل مكان وأن تتبع طبيعتها هو أحد أهم الموضوعات في كل من الفيزياء الفلكية وفيزياء الجسيمات. إذا كانت مليارات الأطنان في الثانية من البوزيترونات التي تم إبادةها في انتفاخ درب التبانة لا يمكن أن تأتي من نوفا الكلاسيكية أو المستعرات المتفجرة النووية الحرارية ، فربما يكون السبب هو المادة المظلمة القديمة الجيدة.
