Группа астрофизиков из Германии и Японии обнаружила гамма-излучение, которое может указывать на аннигиляцию антиматерии за пределами диска Млечного Пути. Анализ 20-летних данных телескопа INTEGRAL выявил сигналы в областях, которые не могут самостоятельно производить позитроны — Комплексе C и Магеллановом потоке.
Речь идёт об излучении с энергией 511 килоэлектронвольт, которое возникает при столкновении электронов и их античастиц — позитронов. Астрономы десятилетиями составляют карты такого излучения внутри Галактики, однако их количество всегда превышало расчёты. Теперь к этой загадке добавилась новая: антиматерия, похоже, уходит далеко за пределы Млечного Пути.
Главные мысли за 1 минуту
- Гамма-излучение с энергией 511 кэВ обнаружено за пределами галактического диска — в Комплексе C и Магеллановом потоке.
- Млечный Путь может производить около ста триллионов триллионов триллионов позитронов в секунду.
- Текущие оценки производства антиматерии, вероятно, занижены в два-три раза — часть позитронов покидает Галактику.
- Статистическая значимость самого сильного сигнала составляет 4 сигмы, что ниже порога официального открытия.
- Телескоп NASA COSI, запуск которого намечен на 2027 год, позволит проверить гипотезу и найти источник антиматерии.
Загадка избыточных позитронов
На протяжении десятилетий астрономы фиксируют необычно высокий уровень гамма-излучения в центре Млечного Пути. Позитроны — античастицы электронов — при встрече с обычным веществом аннигилируют, испуская фотоны строго определённой энергии. Учёные учли все известные источники: радиоактивные изотопы после взрывов сверхновых, чёрные дыры и нейтронные звёзды. Суммарный сигнал всё равно оказался слишком мощным.
Томас Зигерт из Университета Юлиуса и Максимилиана в Вюрцбурге и Хироки Ёнеда из Киотского университета решили проверить, не упускают ли они часть позитронов, которые покидают Галактику. Для этого они использовали полный набор данных космического телескопа INTEGRAL Европейского космического агентства, который наблюдал Вселенную с 2002 до завершения миссии в 2025 году.
Данные INTEGRAL: 20 лет наблюдений
Исследователи обработали весь массив данных, чтобы создать наиболее детальные карты излучения на энергии 511 кэВ. Сначала они разбили наблюдения на трёхлетние интервалы, сравнили полученные изображения, а затем последовательно объединили данные за 3, 6, 9 и более лет. Сигналы сохранялись при всех вариантах анализа и становились статистически более значимыми по мере накопления информации. Такое поведение нехарактерно для ошибок, связанных с фоновым излучением прибора.
Учёные предполагают, что часть позитронов с высокой энергией способна покинуть Млечный Путь, а затем замедлиться в газовых структурах за его пределами и проаннигилировать. Ранее такая возможность практически не рассматривалась.
Магелланов поток и Комплекс C: куда уходит антиматерия
Самый убедительный сигнал исходит из области, известной как Комплекс C — огромного водородного облака, движущегося к диску Млечного Пути. Второй потенциальный сигнал связан с Магеллановым потоком — длинной газовой лентой, тянущейся за Большим и Малым Магеллановыми Облаками.
Ни та, ни другая область не могут самостоятельно производить значительное количество позитронов. Это наводит на мысль, что античастицы прибыли туда из другого места. Однако для аннигиляции позитроны должны сильно замедлиться. В разреженном космическом пространстве вероятность взаимодействия высока только при низких скоростях частиц.
«Если позитронам необходимо замедлиться для аннигиляции, они никогда не смогли бы покинуть Млечный Путь», — объяснил Зигерт.
Исследователи предполагают, что существует небольшая доля частиц с более высокой энергией, которые преодолевают гравитацию Галактики и теряют скорость уже в газе Магелланова потока. Если эта интерпретация верна, она кардинально меняет представления о том, сколько антиматерии на самом деле производит Млечный Путь.
100 триллионов триллионов триллионов в секунду: проблема масштаба
Сейчас астрономы оценивают количество образующихся позитронов по тому, где эти частицы аннигилируют. Если часть антиматерии покидает Галактику, наблюдаемое внутри неё количество представляет только часть общего производства. По оценке исследователей, Млечный Путь может производить около ста триллионов триллионов триллионов позитронов в секунду — это в два-три раза больше, чем считалось ранее.
Даже прежние, более скромные оценки с трудом объяснялись обычными астрофизическими процессами. Увеличение расчётного количества ещё сильнее ограничивает число возможных источников. Происхождение такого колоссального потока антиматерии становится всё более загадочным.
4 сигмы вместо 5: открытие или статистическая флуктуация
Обнаруженные сигналы пока нельзя считать окончательным доказательством. Наиболее сильный из них достиг статистической значимости около 4 сигм. Это означает, что вероятность его случайного появления составляет примерно один случай на 15 000. Для официального объявления открытия в физике частиц требуется уровень в 5 сигм.
Зигерт считает, что реальный сигнал аннигиляции, скорее всего, существует, но будущие наблюдения должны подтвердить его природу и уточнить интенсивность излучения. Если сигнал подтвердится, одна из старейших загадок космической антиматерии станет ещё сложнее. Обычные источники могут оказаться неспособны объяснить количество позитронов, и учёным придётся рассматривать более экзотические варианты, включая модели лёгкой тёмной материи.
COSI: проверка гипотезы и поиск источника
Новые возможности для проверки этой гипотезы появятся после запуска космического аппарата NASA COSI — Compton Spectrometer and Imager, который планируется отправить на орбиту в 2027 году. Он сможет проверить слабые сигналы аннигиляции, которые исследователи называют «многообещающими намёками», и помочь определить, где именно рождаются позитроны Млечного Пути.
Исследование опубликовано в журнале Astronomy & Astrophysics.
