Η θήκη εξασθενεί για σημάδι αντιύλης της σκοτεινής ύλης

Μια μακρά συζήτηση για ένα μυστηριώδες πλεόνασμα αντιύλης -και αν είναι σημάδι σκοτεινής ύλης- μπορεί να πλησιάζει σε αντικλιμακτικό τέλος. Για περισσότερο από μια δεκαετία, πολλαπλά πειράματα έχουν βρει μια απροσδόκητη περίσσεια στον αριθμό των υψηλής ενέργειας αντιηλεκτρονίων ή ποζιτρονίων στο διάστημα και ορισμένοι φυσικοί πρότειναν ότι θα μπορούσε να οφείλεται σε σωματίδια σκοτεινής ύλης που εξαφανίζονται το ένα το άλλο. Άλλοι αντέδρασαν με μια πιο συνηθισμένη εξήγηση:Τα ποζιτρόνια προέρχονται από ταχέως περιστρεφόμενα αστέρια νετρονίων ή πάλσαρ. Τώρα, μια ομάδα θεωρητικών ενίσχυσε αυτήν την πιο πεζή εξήγηση, δείχνοντας λεπτομερώς ότι τα πάλσαρ μπορούν πράγματι να παράγουν το μεγαλύτερο μέρος ή το σύνολο της περίσσειας.

Η νέα μελέτη βασίζεται σε δεδομένα ακτίνων γάμμα από το Παρατηρητήριο Υδάτων Cherenkov (HAWC) στο Μεξικό. «Πριν από τις παρατηρήσεις HAWC δεν γνωρίζαμε αν τα πάλσαρ αποτελούσαν το 0,1% της περίσσειας ή το 100%,» λέει ο επικεφαλής της μελέτης Dan Hooper, θεωρητικός σωματιδίων στο Εθνικό Εργαστήριο Επιταχυντή Fermi στη Μπαταβία του Ιλινόις. "Γνωρίζουμε τώρα ότι αποτελούν ένα πολύ μεγάλο κλάσμα, και πολύ εύλογο όλο αυτό."

Τα ποζιτρόνια μπορούν να δημιουργηθούν όταν κοσμικές ακτίνες, φορτισμένα σωματίδια όπως πρωτόνια ή ιόντα ηλίου, χτυπήσουν άλλα σωματίδια μέσα στον διαστρικό χώρο. Τα συμβατικά αστροφυσικά μοντέλα δείχνουν ότι όσο μεγαλύτερη είναι η ενέργεια των ποζιτρονίων, τόσο πιο σπάνια θα έπρεπε να συγκριθούν με τον αριθμό των ηλεκτρονίων που φθάνουν. Όμως, την τελευταία δεκαετία, ορισμένα διαστημικά παρατηρητήρια, συμπεριλαμβανομένου του Alpha Magnetic Spectrometer (AMS) 2 δισεκατομμυρίων δολαρίων, ενός γιγαντιαίου μαγνήτη που συνδέεται με τον Διεθνή Διαστημικό Σταθμό, παρατήρησαν μια περίεργη αύξηση στην αναλογία ποζιτρονίων προς ηλεκτρόνια μεταξύ των ενεργειών του 10 giga-ηλεκτρον βολτ (GeV) και αρκετές εκατοντάδες GeV.

Κατ' αρχήν, αυτά τα επιπλέον ποζιτρόνια θα μπορούσαν να προέρχονται από τη σκοτεινή ύλη, το άγνωστο υλικό που αποτελεί το 85% της ύλης του σύμπαντος. Ένας υποψήφιος για τη σκοτεινή ύλη είναι το ασθενώς αλληλεπιδρών μαζικό σωματίδιο (WIMP). Περιστασιακά, δύο WIMP θα μπορούσαν να συγκρουστούν, εκμηδενίζοντας και δημιουργώντας ένα ζεύγος ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων με ενέργειες σημαντικά μεγαλύτερες από 10 GeV.

Στην πιο πρόσφατη δουλειά, ο Χούπερ και οι συνάδελφοί του εξετάζουν αν τα πάλσαρ θα μπορούσαν να κάνουν τη δουλειά. Τα πάλσαρ έχουν τεράστια, περιστρεφόμενα μαγνητικά πεδία που επιταχύνουν φορτισμένα σωματίδια κοντά τους σε τεράστιες ενέργειες, και όταν αυτές οι ενέργειες φτάσουν αρκετά ψηλά, τα σωματίδια μπορούν να δημιουργήσουν ζεύγη ηλεκτρονίων και ποζιτρονίων. Ο Χούπερ λέει ότι αυτός ο μηχανισμός είναι πολύ γνωστός στους αστροφυσικούς, αλλά κανείς δεν είχε ελέγξει εάν συγκεκριμένα πάλσαρ θα μπορούσαν να παράγουν αρκετά ποζιτρόνια υψηλής ενέργειας για να εξηγήσουν την παρατηρούμενη ανωμαλία.

Για να το ανακαλύψει, η ομάδα του Hooper ανέλυσε τις ακτίνες γάμμα που εκπέμπονται από το κοντινό πάλσαρ Geminga και παρατηρούνται από το HAWC. Βρήκαν ένα φωτοστέφανο γύρω από το πάλσαρ, που εκτείνεται μερικά έτη φωτός, που εξέπεμπε ακτίνες γάμμα πολύ υψηλής ενέργειας. Ο Χούπερ λέει ότι η "μόνη λογική εξήγηση" για αυτήν την εκτεταμένη πηγή είναι μια σύντηξη ηλεκτρονίων και ποζιτρονίων υψηλής ενέργειας που χτυπούν φωτόνια κατά την έξοδό τους από το πάλσαρ και ενισχύουν τις ενέργειες των φωτονίων στο τμήμα των ακτίνων γάμμα του φάσματος. /P>

Η ενέργεια των ποζιτρονίων και των ηλεκτρονίων που δημιουργούν αυτές τις ακτίνες γάμμα θα ήταν πολύ υψηλή -σε δεκάδες χιλιάδες GeV αντί για μερικές εκατοντάδες GeV- για να εξηγήσει την άνοδο που παρατηρείται από το AMS. Αλλά ο Χούπερ και οι συνεργάτες του υπολόγισαν επίσης πόσα ποζιτρόνια χαμηλότερης ενέργειας αναμένεται να δημιουργήσει το πάλσαρ, με βάση μοντέλα. Επανέλαβαν την άσκηση για ένα δεύτερο κοντινό πάλσαρ γνωστό ως B0656+14 και επέκτεινε την ανάλυσή τους για να υπολογίσουν την πιθανή συμβολή χιλιάδων άλλων πάλσαρ στον Γαλαξία μας. Το συμπέρασμά τους:Τα πάλσαρ είναι "πολύ πιθανό" υπεύθυνα για "πολύ, αν όχι το σύνολο" της παρατηρούμενης περίσσειας ποζιτρονίων.

Ο Stéphane Coutu, ένας φυσικός κοσμικών ακτίνων στο Πολιτειακό Πανεπιστήμιο της Πενσυλβάνια στο State College, επαινεί τη νέα δουλειά των ερευνητών για την "προσεκτική αξιολόγηση των αστροφυσικών μηχανισμών παραγωγής ποζιτρονίων", έργο που περιγράφει ως "λιγότερο σέξι" από το κυνήγι της σκοτεινής ύλης. Λέει ότι η μελέτη είναι κάπως εικαστική στη μοντελοποίηση των πάλσαρ, όπως πόσο εύκολα διαχέονται τα ποζιτρόνια ενδιαφέροντος χαμηλότερης ενέργειας μέσω του φωτοστέφανου. Αλλά, προσθέτει, «Οι εικασίες δεν είναι τραβηγμένες».

Ο Hooper αναγνωρίζει ότι εξακολουθεί να υπάρχει αρκετή αβεβαιότητα στα μοντέλα τους ότι η σκοτεινή ύλη θα μπορούσε να ευθύνεται για περίπου το ήμισυ της περίσσειας. Το πόσο μεγάλο είναι το μερίδιο των πάλσαρ, λέει, θα πρέπει να γίνει πιο σαφές με μελλοντικά παρατηρητήρια με μεγαλύτερη ευαισθησία σε ακτίνες γάμμα χαμηλότερης ενέργειας, όπως η παγκόσμια συστοιχία τηλεσκοπίων Cherenkov, ύψους 400 εκατομμυρίων ευρώ, η κατασκευή της οποίας πρόκειται να ξεκινήσει το 2018.