แผนที่ทั่วท้องฟ้าของโมเดล ‘halo + disk ที่เหมาะสมที่สุดของการปล่อยรังสีแกมม่า 511 keV เครดิตรูปภาพ: INTEGRAL คลิกเพื่อดูภาพขยาย
โพสิตรอนซึ่งเป็นคู่ต้านสสารกับอิเล็กตรอนถูกทำนายโดย Paul Dirac's - ณ เวลาปฏิวัติ - สมการคลื่นควอนตัมสำหรับอิเล็กตรอน ไม่กี่ปีต่อมาในปี 1932 คาร์ลแอนเดอร์สันค้นพบโพซิตรอนในรังสีคอสมิคและดิแรคได้รับรางวัลโนเบลในปี 2476 และแอนเดอร์สันในปี 2479
เมื่อโพสิตรอนพบกับอิเล็กตรอนพวกมันจะทำลายล้างทำให้เกิดรังสีแกมม่าสองตัว อย่างไรก็ตามในบางครั้งการทำลายล้างนั้นเกิดขึ้นก่อนด้วยการก่อตัวของโพสิตรอนเนียมซึ่งเป็นเหมือนอะตอมไฮโดรเจนที่มีโปรตอนถูกแทนที่ด้วยโพซิตรอน (โพสิตรอนมีสัญลักษณ์ของตัวเองคือ PS) โพซิตรอนมีสองแบบคือไม่เสถียรและสลายตัวเป็นสอง gammas (ภายใน 0.1 นาโนวินาที) หรือสาม (ภายในประมาณ 100 nanoseconds)
นักดาราศาสตร์รู้จักมาตั้งแต่ปี 1970 ว่าต้องมีโพสิตรอนจำนวนมากในเอกภพ ทำไม? เพราะเมื่อโพสิตรอนและอิเลคตรอนทำลายให้ gammas สองตัวทั้งคู่มีความยาวคลื่นเท่ากันประมาณ 0.024 Åหรือ 0.0024 nm (นักดาราศาสตร์เช่นนักฟิสิกส์อนุภาคไม่พูดถึงความยาวคลื่นของรังสีแกมมาพวกเขาพูดถึงพลังงานของพวกเขา 511 keV ในกรณีนี้) ดังนั้นถ้าคุณมองท้องฟ้าด้วยวิสัยทัศน์แกมม่า - จากบรรยากาศเหนือแน่นอน! - คุณรู้ว่ามีโพสิตรอนจำนวนมากเพราะคุณสามารถเห็น gammas จำนวนมากที่มี 'สี' เดียว, 511 keV (คล้ายกับการสรุปว่ามีไฮโดรเจนจำนวนมากในจักรวาลโดยสังเกตเห็นสีแดงจำนวนมาก (1.9 eV) H alpha ใน ท้องฟ้ายามค่ำคืน
จากสเปกตรัมของการสลายตัวของ 3-gamma ของโพสิตรอนเทียมเมื่อเปรียบเทียบกับความเข้มของสาย 511 keV นักดาราศาสตร์เมื่อสี่ปีที่แล้วทำงานออกมาว่าประมาณ 93% ของโพสิตรอนซึ่งมีการทำลายล้างที่เราเห็นโพซิตรอน
โพซิตรอนมีค่าเท่าใด? ในทางช้างเผือกโป่งมีโพสิตรอนประมาณ 15 พันล้านตันถูกทำลายทุก ๆ วินาที นั่นคือมวลมากเท่ากับอิเล็กตรอนในหลายสิบล้านล้านตันของสิ่งที่เราคุ้นเคยเช่นก้อนหินหรือน้ำ ประมาณเท่าดาวเคราะห์น้อยขนาดกลางซึ่งอยู่ห่างออกไป 40 กม.
จากการวิเคราะห์ข้อมูล INTEGRAL ที่เปิดเผยต่อสาธารณะ (ประมาณหนึ่งปี) J? rgen Kn? dlseder และเพื่อนร่วมงานของเขาพบว่า:
- โพสิตรอนที่ถูกทำลายในดิสก์ทางช้างเผือกส่วนใหญ่น่าจะมาจากการสลายตัวของเบต้า + (เช่นโพซิตรอน) ของไอโซโทปอะลูมิเนียม -26 และไททาเนียม 44 ซึ่งถูกผลิตขึ้นในซุปเปอร์โนวาล่าสุด (โปรดจำไว้ว่านักดาราศาสตร์เรียกแม้แต่ 10 ล้านปีก่อน) 'ที่ผ่านมา)
- แม้กระนั้นมีโพสิตรอนที่ถูกทำลายในทางช้างเผือกมีจำนวนมากกว่าโพสิตรอนในดิสก์โดยมีค่าเท่ากับห้า
- ดูเหมือนจะไม่มีแหล่งข้อมูล 'จุด' ใด ๆ
แน่นอนสำหรับนักวิทยาศาสตร์ INTEGRAL แหล่งที่มาของ "จุด" นั้นไม่มีความหมายเหมือนกันกับนักดาราศาสตร์สมัครเล่น! การมองเห็นแกมมาเรย์ในสายโพซิตรอนเนียมนั้นพร่ามัวอย่างไม่น่าเชื่อวัตถุหกดวงจันทร์ข้าม (3?) จะดูเหมือนเป็น 'จุด'! อย่างไรก็ตาม Kn? dlseder และทีมนักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ของเขาสามารถพูดได้ว่า“ ไม่มีแหล่งข้อมูลใดที่เราค้นหามีฟลักซ์ 511 keV ที่สำคัญ”; 40 'ผู้ต้องสงสัยตามปกติเหล่านี้ ได้แก่ พัลซาร์ควอซาร์หลุมดำเศษซากซุปเปอร์โนวาภูมิภาคที่ก่อตัวดาวฤกษ์กระจุกกาแลคซีที่อุดมไปด้วยกาแลคซีดาวเทียมกาแลคซี่ แต่พวกเขายังคงมองหา“ เรามี [การวางแผน] โดยเฉพาะการสังเกตแบบเฉพาะเจาะจงของผู้ต้องสงสัยตามปกติเช่น Type Ia supernovae (SN1006, Tycho) และ LMXB (Cen X-4) ซึ่งอาจช่วยแก้ปัญหานี้ได้ .”
ดังนั้นโพซตรอนขนาด 15 พันล้านตันที่ถูกทำลายจะหายไปทุก ๆ วินาทีในส่วนของนูนมาจากไหน? “ สำหรับฉันสิ่งที่สำคัญที่สุดเกี่ยวกับการทำลายล้างโพซิตรอนคือแหล่งที่มาหลักยังคงเป็นปริศนา” Kn? dlseder กล่าว “ เราสามารถอธิบายการเปล่งแสงจาง ๆ จากดิสก์ได้ด้วยการเสื่อมสลายของอลูมิเนียม -26 แต่โพสิตรอนจำนวนมากตั้งอยู่ในบริเวณที่นูนของกาแลคซีและเราไม่มีแหล่งที่สามารถอธิบายลักษณะเชิงสังเกตได้ทั้งหมดได้อย่างง่ายดาย โดยเฉพาะอย่างยิ่งถ้าคุณเปรียบเทียบท้องฟ้า 511 keV กับท้องฟ้าที่สังเกตที่ความยาวคลื่นอื่น ๆ คุณรู้ว่าท้องฟ้า 511 keV นั้นไม่เหมือนใคร! ไม่มีท้องฟ้าอื่นใดที่คล้ายกับสิ่งที่เราสังเกต”
ทีม INTEGRAL รู้สึกว่าพวกเขาสามารถแยกแยะดาวขนาดใหญ่ collapsars, pulsars หรือการมีปฏิสัมพันธ์ของรังสีคอสมิกเพราะถ้าสิ่งเหล่านี้เป็นแหล่งกำเนิดของโพซิตรอนที่กระพุ้งแล้วดิสก์จะสว่างขึ้นมากในแสง 511 keV
โพสิตรอนกระพุ้งอาจมาจากระบบเอกซ์เรย์มวลต่ำโนวาคลาสสิกหรือซุปเปอร์โนวาประเภท 1a ผ่านกระบวนการที่หลากหลาย ความท้าทายในแต่ละกรณีคือการเข้าใจว่าโพสิตรอนที่สร้างขึ้นโดยพอเพียงสามารถอยู่รอดได้นานพอหลังจากนั้นและกระจายห่างจากแหล่งกำเนิดมากพอ
สิ่งที่เกี่ยวกับสตริงจักรวาล? ในขณะที่กระดาษ Tanmay Vachaspati เมื่อเร็ว ๆ นี้เสนอสิ่งเหล่านี้ว่าเป็นแหล่งที่เป็นไปได้ของโพสิตรอนที่นูนออกมาเร็วเกินไปสำหรับ Kn? dlseder และคณะ เพื่อพิจารณาบทความของพวกเขา“ แต่สำหรับฉันมันไม่ชัดเจนว่าเรามีข้อ จำกัด ในเชิงสังเกตการณ์มากพอที่จะระบุว่าสายจักรวาลทำให้ 511 keV; เราไม่รู้ด้วยซ้ำว่ามีสายจักรวาลอยู่หรือไม่ จะต้องมีลักษณะเฉพาะของสายจักรวาลที่ไม่รวมแหล่งอื่น ๆ ทั้งหมดและวันนี้ฉันคิดว่าเราอยู่ไกลจากนี้
บางทีโพสิตรอนอาจมาจากการทำลายล้างอนุภาคสสารมืดที่มีมวลน้อยและการต่อต้านของอนุภาคหรือเป็น Kn? dlseder et al กล่าวไว้ว่า“ การทำลายล้างของสสารมืด (1-100 MeV) ตามที่ Boehm et al แนะนำเมื่อเร็ว ๆ นี้ (2004) อาจเป็นสิ่งแปลกใหม่ที่สุด แต่ก็เป็นแหล่งที่น่าสนใจที่สุดของโพสิตรอนกาแลคซี” สสารมืดนั้นแปลกใหม่กว่าโพซิตรอนเซียม สสารมืดไม่ใช่แอนตี้สสารและไม่มีใครสามารถดักจับมันได้ นักดาราศาสตร์ยอมรับว่ามันแพร่หลายและติดตามธรรมชาติของมันเป็นหนึ่งในหัวข้อที่ร้อนแรงที่สุดในฟิสิกส์ดาราศาสตร์และฟิสิกส์อนุภาค หากพันล้านตันต่อวินาทีของโพสิตรอนที่ถูกทำลายในทางช้างเผือกโป่งไม่สามารถมาจากโนวาคลาสสิกหรือซุปเปอร์โนวาแบบเทอร์โมนิวเคลียร์ได้บางทีสสารมืดเก่าที่ดีอาจถูกตำหนิได้
