Крошечная коллапсирующая звезда испускает гигантский луч материи и антиматерии

С помощью рентгеновской обсерватории НАСА «Чандра» астрономы сфотографировали пучок материи и антиматерии длиной 60 триллионов километров. Рекордный луч питается от пульсара, быстро вращающейся коллапсирующей звезды с сильным магнитным полем.

Благодаря своему огромному масштабу этот луч может помочь объяснить удивительно большое количество позитронов, аналогов электронов в антивеществе, по всей галактике Млечный Путь.

Астрономы впервые обнаружили луч (или нить) в 2020 году, но не знали его полной длины, поскольку она выходила за пределы детектора обсерватории. Новые наблюдения Chandra, сделанные в феврале и ноябре 2021 года, показывают, что нить примерно в три раза длиннее, чем предполагали астрономы первоначально. Нить охватывает примерно половину диаметра полной Луны на небе, что делает ее пульсар самым длинным из пульсаров, если смотреть с Земли.

«Удивительно, что пульсар диаметром всего 15 километров может создавать структуру настолько большую, что мы можем видеть ее за тысячи световых лет», — сказал Мартин де Врис из Стэнфордского университета в Пало-Альто, который руководил исследованием.

«При том же относительном размере, если бы нить простиралась от Нью-Йорка до Лос-Анджелеса, пульсар был бы примерно в 100 раз меньше, чем мельчайший объект, видимый невооруженным глазом».

Пульсар называется PSR J2030+4415 и находится примерно в 1600 световых годах от Земли. Этот объект размером с город вращается примерно три раза в секунду, быстрее, чем большинство потолочных вентиляторов.

Полученные результат может дать новое представление об источнике антиматерии Млечного Пути, которая похожа на обычную материю, но с перевернутыми электрическими зарядами. Например, позитрон является положительно заряженным эквивалентом электрона.

Подавляющее большинство Вселенной состоит из обычного вещества, а не из антивещества. Ученые, однако, продолжают находить доказательства относительно большого количества позитронов в детекторах на Земле, что приводит к вопросу: каковы возможные источники этой антиматерии?

Исследователи считают, что пульсары, такие как PSR J2030+4415, могут быть одним из ответов. Сочетание двух крайностей — быстрого вращения и сильных магнитных полей пульсаров — приводит к ускорению частиц и высокоэнергетическому излучению, создающему пары электронов и позитронов. (Обычный процесс преобразования массы в энергию, определяемый, как известно, уравнением Альберта Эйнштейна E = mc², обращается вспять, и энергия превращается в массу.)

Возможно, пульсар выпускает эти позитроны в галактику. Пульсары генерируют ветры из заряженных частиц, которые обычно заключены в пределах их мощных магнитных полей.

Пульсар движется в межзвездном пространстве со скоростью более миллиона километров в час, а за ним следует ветер. Перед пульсаром движется ударная волна газа, подобно скоплению воды перед движущейся лодкой. Однако около 20–30 лет назад движение головной ударной волны, по-видимому, остановилось, и пульсар догнал ее, что привело к взаимодействию с межзвездным магнитным полем, идущему почти по прямой линии слева направо.

«Это, вероятно, вызвало утечку частиц», — говорят ученые. «Магнитное поле пульсарного ветра соединилось с межзвездным магнитным полем, и высокоэнергетические электроны и позитроны вырвались наружу через сопло, образованное соединением».

Когда частицы затем двигались вдоль этой межзвездной линии магнитного поля со скоростью примерно в одну треть скорости света, они освещали ее в рентгеновских лучах. Это произвело длинную нить, которую увидела Чандра.

Ранее астрономы наблюдали большие ореолы вокруг близлежащих пульсаров в гамма-излучении, что означает, что энергичные позитроны обычно с трудом просачиваются в галактику. Это подрывает идею о том, что пульсары объясняют обнаруженный учеными избыток позитронов.

Однако недавно обнаруженные пульсарные нити, такие как PSR J2030+4415, показывают, что частицы действительно могут выходить в межзвездное пространство и в конечном итоге достигать Земли.