С центром Млечного Пути уже давно что-то не сходится. На протяжении десятилетий астрономы наблюдают там огромное количество позитронов — частиц антиматерии, которые сталкиваются с электронами и исчезают во вспышках гамма-излучения.
Проблема в том, что известные космические источники не могут объяснить, откуда берется столько позитронов. Теперь двое физиков нашли признаки того, что загадка может оказаться еще сложнее.
Томас Зигерт из Вюрцбургского университета имени Юлиуса и Максимилиана и Хироки Ёнеда из Киотского университета сообщили о возможном первом обнаружении следов аннигиляции материи и антиматерии за пределами Млечного Пути.
По крайней мере один из обнаруженных сигналов указывает на то, что часть позитронов может покидать диск нашей галактики и уничтожаться при столкновении с электронами уже далеко за его пределами. Если это подтвердится, Млечный Путь производит значительно больше антиматерии, чем показывали прежние оценки.
Позитроны обладают той же массой и спином, что и электроны, но имеют противоположный электрический заряд. При встрече эти частицы взаимно уничтожаются, создавая гамма-излучение с характерной энергией 511 килоэлектронвольт.
Астрономы десятилетиями составляли карты такого излучения в Млечном Пути. Однако наблюдения выявили серьезную проблему: позитронов уничтожается гораздо больше, чем могут произвести известные источники.
Даже если учесть радиоактивные изотопы, возникающие при звездных взрывах, а также черные дыры, нейтронные звезды и другие активные объекты, полностью объяснить наблюдаемый сигнал не удается.
Космический телескоп Европейского космического агентства INTEGRAL более 20 лет наблюдал небо в гамма-диапазоне — с 2002 года до завершения миссии в 2025 году. Зигерт и Ёнеда изучали весь собранный массив данных, чтобы создать наиболее подробную карту излучения с энергией 511 килоэлектронвольт.
Во время анализа они заметили необычные сигналы. Ученые неоднократно проверяли данные, разделяя их на трехлетние интервалы и постепенно объединяя наблюдения за 3, 6, 9 и более лет. Сигналы сохранялись и становились заметнее по мере увеличения объема данных. По словам Зигерта, это не похоже на обычную ошибку оборудования.
Самый убедительный сигнал исходил от Комплекса C — огромного облака водорода, которое движется к диску Млечного Пути. Еще один, менее уверенный сигнал обнаружили в Магеллановом Потоке — длинной полосе газа, тянущейся за Большим и Малым Магеллановыми Облаками.
Ни один из этих регионов не должен самостоятельно производить большое количество позитронов. Поэтому исследователи предполагают, что частицы могли попасть туда из Млечного Пути.
Но такое объяснение создает новую проблему. Для эффективной аннигиляции позитроны должны двигаться очень медленно. Если бы они сразу замедлялись внутри галактики, то не смогли бы выбраться за ее пределы. Вероятно, часть позитронов сохраняет высокую энергию, покидает Млечный Путь и лишь затем замедляется в газе Магелланова Потока.
Такой побег частиц оказался неожиданным. Количество позитронов в галактике обычно оценивают по местам, где они сталкиваются с электронами. Если часть частиц улетает до аннигиляции, их реальное производство должно быть значительно выше.
По расчетам Зигерта и Ёнеды, Млечный Путь может создавать около 100 тредециллионов позитронов в секунду — в два-три раза больше, чем показывали другие оценки.
Это делает происхождение антиматерии еще более загадочным. Ученые и раньше не могли объяснить огромное количество позитронов в Млечном Пути. Если их действительно еще больше, возможностей обычных астрофизических источников может оказаться недостаточно.
Пока результаты нельзя считать окончательным открытием. Статистическая значимость самого сильного сигнала достигла 4 сигма. Это означает, что вероятность случайного появления такого результата составляет примерно один шанс из 15 тысяч. Для официального признания открытия в физике требуется уровень 5 сигма.
Зигерт считает, что сигнал аннигиляции реален, однако будущие наблюдения должны подтвердить, насколько точно удалось измерить его интенсивность.
Проверить результаты сможет гамма-телескоп NASA COSI, запуск которого запланирован на 2027 год. Он должен определить, являются ли слабые сигналы настоящими, а также помочь выяснить, где именно рождаются позитроны Млечного Пути.
Если открытие подтвердится, одна из старейших загадок космической антиматерии станет еще сложнее. Обычные астрофизические объяснения приблизятся к своему пределу, и ученым, возможно, придется рассматривать необычные модели темной материи, включая легкие частицы темной материи.
Исследование опубликовано в журнале Astronomy & Astrophysics.
