خريطة السماء لأفضل نموذج 'هالة + قرص' مناسب لانبعاثات خط أشعة جاما 511 كيلو فولت. رصيد الصورة: INTEGRAL. اضغط للتكبير.
البوزيترون ، نظير المادة للإلكترون ، تنبأ به بول ديراك - في ذلك الوقت الثوري - معادلة الموجة الكمومية للإلكترون. بعد سنوات قليلة ، في عام 1932 ، اكتشف كارل أندرسون البوزيترون في الأشعة الكونية ، وحصل ديراك على جائزة نوبل عام 1933 وأندرسون عام 1936.
عندما يلتقي البوزيترون بإلكترون ، فإنه يفني ، وينتج شعاعي جاما. ومع ذلك ، في بعض الأحيان ، يسبق الفناء تكوين البوزيترونيوم ، والذي يشبه ذرة الهيدروجين مع استبدال البروتون بالبوزيترون (البوزيترونيوم له رمزه الخاص ، Ps). يأتي البوزيترونيوم في شكلين ، غير مستقر ، ويتحلل إما إلى جاما (في غضون 0.1 نانوثانية تقريبًا) أو ثلاثة (في غضون حوالي 100 نانوثانية).
لقد عرف علماء الفلك منذ سبعينيات القرن الماضي أنه لا بد أن يكون هناك الكثير من البوزيترونات في الكون. لماذا ا؟ لأنه عندما يفنى البوزيترون والإلكترون لإعطاء جاما ، يكون لكلاهما نفس الطول الموجي ، حوالي 0.024 Å ، أو 0.0024 نانومتر (علماء الفلك ، مثل علماء فيزياء الجسيمات ، لا يتحدثون عن الأطوال الموجية لأشعة غاما ، فإنهم يتحدثون عن طاقتهم ؛ 511 keV في هذه الحالة). لذا ، إذا نظرت إلى السماء برؤية أشعة جاما - من فوق الغلاف الجوي بالطبع! - تعلم أنه كان هناك الكثير من البوزيترونات لأنه يمكنك رؤية الكثير من جاما من 'لون' واحد ، 511 كيلو فولت (إنه مشابه لاستنتاج وجود الكثير من الهيدروجين في الكون من خلال ملاحظة الكثير من اللون الأحمر (1.9 فولت) ألفا H في سماء الليل).
من طيف الانحلال ثلاثي جاما للبوزترونيوم ، مقارنةً بكثافة خط 511 كيلو فولت ، توصل علماء الفلك قبل أربع سنوات إلى أن حوالي 93٪ من البوزيترونات التي نلاحظ فنائها تشكل البوزيترونيوم قبل أن تتحلل.
كم البوزيترونيوم؟ في انتفاخ مجرة درب التبانة ، يتم تدمير حوالي 15 مليار (ألف مليون) طن من البوزيترونات كل ثانية. وهذا يعادل كتلة الإلكترونات بعشرات تريليونات الأطنان من الأشياء التي اعتدنا عليها ، مثل الصخور أو الماء ؛ تقريبًا مثل كويكب متوسط الحجم ، قطره 40 كيلومترًا.
من خلال تحليل بيانات INTEGRAL التي تم إصدارها علنًا (حوالي عام واحد) ، وجد J؟ rgen Kn؟ dlseder وزملاؤه ما يلي:
- البوزيترونات التي يتم تدميرها في قرص مجرة درب التبانة تأتي على الأرجح من تحلل بيتا + (أي البوزيترون) لنظائر الألمنيوم -26 وتيتانيوم -44 ، والتي تم إنتاجها في المستعرات الأعظمية الحديثة (تذكر ، أطلق عليها علماء الفلك حتى 10 ملايين سنة مضت 'حديث')
- ومع ذلك ، هناك المزيد من البوزيترونات التي يتم القضاء عليها في انتفاخ مجرة درب التبانة أكثر من القرص ، بمعامل خمسة
- لا يبدو أن هناك أي مصادر 'نقطية'.
بالطبع ، بالنسبة لعالم INTEGRAL ، فإن مصدر 'النقطة' ليس له نفس المعنى تمامًا كما هو الحال بالنسبة لعالم الفلك الهواة! رؤية أشعة جاما في خط البوزيترونيوم ضبابية بشكل لا يصدق ، والجسم الذي يبلغ قطره ستة أقمار (3؟) سيبدو وكأنه 'نقطة'! ومع ذلك ، فإن Kn؟ dlseder وفريقه من خبراء الفيزياء الفلكية قادرون على القول أنه 'لم يُظهر أي من المصادر التي بحثنا عنها تدفقات كبيرة تبلغ 511 كيلو إلكترون فولت' ؛ من بين هؤلاء الـ 40 'المشتبه بهم المعتاد' النجوم النابضة ، والكوازارات ، والثقوب السوداء ، وبقايا المستعرات الأعظمية ، ومناطق تشكل النجوم ، وعناقيد المجرات الغنية ، والمجرات الساتلية ، والمتفجرات. لكنهم ما زالوا يبحثون ، 'لقد خططنا بالفعل لملاحظات تكاملية مخصصة 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 تأتي 15 مليار طن من البوزيترونات التي يتم تدميرها كل ثانية في الانتفاخ؟ 'بالنسبة لي أهم شيء في إبادة البوزيترون هو أن المصدر الرئيسي لا يزال لغزا' ، كما يقول كن ديلسدير. 'يمكننا تفسير الانبعاث الخافت من القرص بواسطة انحلال الألمنيوم -26 ، ولكن الجزء الأكبر من البوزيترونات يقع في منطقة الانتفاخ في المجرة ، وليس لدينا مصدر يمكنه بسهولة شرح جميع خصائص الرصد. على وجه الخصوص ، إذا قارنت السماء 511 كيلوفولت بالسماء المرصودة عند أطوال موجية أخرى ، فإنك تدرك أن السماء 511 كيلوفولت فريدة من نوعها! لا توجد سماء أخرى تشبه ما نلاحظه '.
يشعر فريق INTEGRAL أنه بإمكانهم استبعاد النجوم الضخمة أو الانهيارات أو النجوم النابضة أو تفاعلات الأشعة الكونية ، لأنه إذا كانت هذه هي مصدر البوزيترونات المنتفخة ، فسيكون القرص أكثر سطوعًا في ضوء 511 كيلو إلكترون فولت.
قد تأتي البوزيترونات المنتفخة من ثنائيات الأشعة السينية منخفضة الكتلة ، أو المستعرات الكلاسيكية ، أو المستعرات الأعظمية من النوع 1 أ ، من خلال مجموعة متنوعة من العمليات. يكمن التحدي في كل حالة في فهم كيف يمكن للبوزيترونات الكافية التي أنشأتها هذه أن تعيش لفترة كافية بعد ذلك وتنتشر بعيدًا بما يكفي عن أماكن ميلادها.
ماذا عن الأوتار الكونية؟ في حين أن ورقة Tanmay Vachaspati الأخيرة التي تقترح هذه كمصدر محتمل للبوزترونات المنتفخة قد ظهرت مؤخرًا جدًا بالنسبة إلى Kn؟ dlseder et al. للنظر في ورقتهم ، 'لكن بالنسبة لي ليس من الواضح أن لدينا قيود رصد كافية لنقول أن الأوتار الكونية تصنع 511 كيلو إلكترون فولت ؛ نحن لا نعرف حتى ما إذا كانت الأوتار الكونية موجودة. قد يحتاج المرء إلى خاصية فريدة للخيوط الكونية التي تستبعد جميع المصادر الأخرى ، واليوم أعتقد أننا بعيدون عن هذا '.
ولعل الأمر الأكثر إثارة هو أن البوزيترونات قد تأتي من إبادة جسيم المادة المظلمة منخفض الكتلة وجسيمها المضاد ، أو كما يقول كنديلسيدير وآخرون. ضعها على أنها 'إبادة المادة المظلمة الخفيفة (1-100 MeV) ، كما اقترح مؤخرًا Boehm et al. (2004) ، ربما يكون المصدر الأكثر غرابة ولكنه أيضًا المصدر الأكثر إثارة للبوزيترونات المجرية '. المادة المظلمة أكثر غرابة من البوزيترونيوم. المادة المظلمة ليست مضادة للمادة ، ولم يتمكن أحد من التقاطها ، ناهيك عن دراستها في المختبر. يقبل علماء الفلك أنه موجود في كل مكان وأن تتبع طبيعته هو أحد أهم الموضوعات في كل من الفيزياء الفلكية وفيزياء الجسيمات. إذا كانت بلايين الأطنان في الثانية من البوزيترونات التي أُبيدت في انتفاخ مجرة درب التبانة لا يمكن أن تأتي من المستعرات الكلاسيكية أو المستعرات العظمى النووية الحرارية ، فربما تكون المادة المظلمة القديمة الجيدة هي السبب.