Природа темної матерії досі нез’ясована, але астрономи тепер на один крок ближче до відповіді. Нові результати незвичної обсерваторії в Мексиці суперечать одній з двох теорій, що пояснюють загадкове перевищення частинок антиречовини над частинками речовини довкола Землі, віддаючи перевагу темній матерії, як джерелу цього феномена.
2008 р. європейський супутник PAMELA (Payload for Antimatter Matter Exploration and Light-nuclei Astrophysics) вперше зареєстрував несподівано велику кількість позитронів у навколоземному просторі. Позитрони можна вважати позитивно зарядженими електронами, або їх аналогом у вигляді антиматерії. Нещодавно прилад «Магнітний альфа-спектрометр» (Alpha Magnetic Spectrometer, AMS), встановлений на облавку Міжнародної космічної станції, підтвердив знахідку PAMELA, зареєструвавши приблизно в три — п’ять разів більше позитрон, ніж прогнозували науковці.
Теоретики висунули два логічних пояснення надлишку позитронів поблизу Землі. Суть прозаїчного пояснення зводиться до того, що джерело позитронів — пульсари (нейтронні зорі, які швидко обертаються). Але інші науковці запропонували екзотичнішу альтернативу: дуже важкі частинки темної матерії, що пронизують нашу галактику, стикаючись взаємно анігілюють, спричиняючи каскад позитронів та інших елементарних частинок.
Щоб перевірити гіпотезу пульсара, міжнародна команда науковців спостерігала за небом у Високогірній водяній обсерваторії Черенкова (High-Altitude Water Cherenkov (HAWC) Observatory). Це не звична для нас обсерваторія з одним або декількома астрономічними телескопами. HAWC замість цього складається з 300 великих баків, заповнених водою, розміщених на висоті понад 4200 метрів над рівнем моря в південному мексиканському штаті Пуебла.
Обсерваторія HAWC складається з 300 резервуарів, заповнених водою і призначених для виявлення черенківського випромінювання. Фото з сайту http://astronomy.com.
HAWC непрямо збирає гамма-промені з дуже високою енергією — «світло» найвищої енергії, яке виявлено у Всесвіті. Кожен з цих гамма-променів відповідає дії приблизно 10 мільйонів рентгенівських променів під час лікування зубів. Коли один з цих гамма-променів вдаряє в атом у верхній атмосфері Землі, він розбиває його на велику кількість вторинних частинок, що у вигляді «зливи» на близько світловій швидкості проникають до поверхні Землі. Ці мізерні порції енергії проходять через водяні резервуари HAWC, спричиняючи одночасні спалахи синього світла, відомого як черенківське випромінювання (його у 1934 році відкрив фізик Павло Черенков).
Під час спостережень, виконаних з листопада 2014 р. по червень 2016 р., HAWC чітко виявив гамма-промені з дуже високою енергією з ділянки неба навколо двох відносно близьких пульсарів у Близнюках. Пульсари, відомі як Geminga і PSR B0656+14, лежать, відповідно, на відстані приблизно 800 і 900 світлових років від Землі. Виявлення високоенергетичних гамма-променів з великої ділянки навколо цих пульсарів сталося вперше завдяки широкому полю зору HAWC. Водночас, як зазначив член команди, Міґель Мостафа (Miguel Mostafá) з Університету штату Пенсільванія, проблема полягає в тому, що «спостережуваний потік гамма-променів недостатній, щоб пояснити надлишок позитронів».
Розташування пульсарів Geminga і PSR B0656+14 в сузір’ї Близнюків. Фото з сайту http://astronomy.com.
Кожен пульсар генерує позитрони і електрони. Їх взаємодія з «реліктовими» фотонами (з космічний мікрохвильовий фон, що зберігся з часу раннього Всесвіту — Ред.) спричиняє виникнення гамма-променів на великій площі навколо пульсара. На жаль, вчені не можуть відстежувати місця походження позитронів, які виявляють навколо Землі. Оскільки позитрони — електрично заряджені частинки, то їх відхиляють магнітні поля, що пронизують простір, тобто вони не приходять до нас прямо. Отже, HAWC вимірює радіальний обсяг емісії гамма-випромінювання від кожного пульсара, що є непрямим визначенням кількості позитронів, а також те, як швидко вони покидають окіл пульсара.
«Гамма-промені, які ми реєструємо, є маркерами для електронів і позитронів поблизу джерела. Використовуючи це, ми можемо визначити, як швидко електрони та позитрони віддаляються від джерела. Знаючи вік і відстань до пульсарів, ми можемо з’ясувати, чи зможуть вони потрапити сюди», — зауважив провідний дослідник HAWC Джордан Ґудман (Jordan Goodman), з Мерілендського університету (США).
Виклавши все це в статті, оприлюдненій в журналі Science від 17 листопада 2017 року, команда науковців робить висновок, — пульсари не дають тієї кількості позитронів, щоб пояснити надлишок, який виявлено з допомогою PAMELA та AMS. Оскільки два спостережувані пульсари — одні з найближчі до Землі, то стає очевидним, що теорія пульсарів взагалі не може пояснити аномалію.
Гамма-промені від пульсарів Geminga і PSR B0656+14 не можуть пояснити надлишок позитронів, зареєстрований штучними супутниками на орбіті Землі. Фото з сайту http://astronomy.com.
Якщо пульсари не можуть пояснити надлишок позитронів, то що може? Деякі теоретики запропонували взяти до уваги залишки Наднових та чорні діри. HAWC виявив ці типи об’єктів, але, як пояснив Ґудмен, «більшість з них лежить занадто далеко і є надто молодими, щоб відправити частинки до Землі».
Імовірним поясненням наявності надлишкових позитронів може бути анігіляція частинок темної матерії. Ця теорія відома протягом багатьох років і це не суперечить будь-яким астрономічним спостереженням. Фізики запропонували низку різних типів частинок темної матерії з широким спектром властивостей і мас. Якщо темна матерія, що анігілює, справді відповідає за надлишок позитронів, то її частинки мають колосальну масу (співмірна з масою близько тисячі протонів або, приблизно, масою чотирьох чи п’яти атомів урану).
Експерименти на Великому адронному коллайдері в Швейцарії та в підземних лабораторіях у всьому світі все ще мають знайти прямі докази частинок темної матерії. Отже, хоча HAWC, здається, відкинув пульсари як джерело надлишкових позитронів, їх походження залишається загадкою, як і природа темної матерії.
За інф. з сайту http://astronomy.com
