Новое исследование связывает гамма-излучение пульсара с антиматерией
Нейтронная звезда - это ядро, оставшееся от звезды, намного более массивной, чем Солнце.
Космический телескоп НАСА Fermi Gamma-ray обнаружил слабое, но большое по площади свечение высокоэнергетического света вокруг одного из самых близких к Земле пульсаров.
Если бы он был виден человеческому глазу, то этот «ореол» гамма-излучения на небе мог бы быть примерно в 40 раз больше, чем полная Луна. Эта структура может обеспечить решение давней загадки о количестве антивещества в нашем районе Галактики.
«Наш анализ показывает, что этот самый пульсар может быть ответственен за десятилетнюю загадку о том, почему один тип космических частиц необычайно распространен вблизи Земли», — говорят ученые. «Это позитроны, анти-версия электронов, приходящих из-за пределов Солнечной системы».
Нейтронная звезда — это ядро, оставшееся от звезды, намного более массивной, чем Солнце. Когда у такой звезды заканчивается топливо, она коллапсирует под действием собственного веса и взрывается как сверхновая. Мы видим некоторые нейтронные звезды как пульсары — быстро вращающиеся объекты, испускающие лучи света, которые видны в космосе, подобно маякам.
Geminga, обнаруженный в 1972 году, является одним из самых ярких пульсаров в гамма-лучах. Он расположен на расстоянии около 800 световых лет в созвездии Близнецов. Имя Geminga — это и игра фразы «Источник гамма-излучения Близнецов», и выражение «его там нет», относящееся к неспособности астрономов найти объект в других энергиях — на миланском диалекте в Италии.
Спустя почти 20 лет, в марте 1991 года Geminga был идентифицирован, когда мерцающее рентгеновское излучение, полученное немецкой миссией ROSAT, показало, что его источником является пульсар, вращающийся 4,2 раза в секунду.
Пульсар естественным образом окружает себя облаком электронов и позитронов. Это потому, что интенсивное магнитное поле нейтронной звезды вытягивает частицы с поверхности пульсара и ускоряет их почти до скорости света.
Электроны и позитроны относятся к числу быстрых частиц, известных как космические лучи, которые приходят из-за пределов Солнечной системы.
Поскольку частицы космических лучей несут электрический заряд, их пути становятся скремблированными, когда они сталкиваются с магнитными полями на их пути к Земле. Это означает, что астрономы не могут напрямую отследить их до своих источников.
В течение последнего десятилетия измерения космических лучей на борту Международной космической станции и другие космические эксперименты вблизи Земли показали больше позитронов при высоких энергиях, чем ожидали ученые. Соседние пульсары, такие как Геминга, были главными подозреваемыми.
Затем, в 2017 году, ученые из обсерватории HAWC, Мексика, подтвердили более ранние наземные обнаружения небольшого гало гамма-излучения вокруг Geminga. Они наблюдали эту структуру при энергиях от 5 до 40 триллионов электрон-вольт — света с энергией в триллионы раз больше, чем могут видеть наши глаза.
Ученые считают, что это излучение возникает, когда ускоренные электроны и позитроны сталкиваются со светом соседних звезд. Столкновение увеличивает свет до гораздо более высоких энергий.
Основываясь на размере гало, исследователи HAWC пришла к выводу, что позитроны Geminga при этих энергиях редко достигают Земли. Если это правда, то это означает, что наблюдаемый избыток позитронов должен иметь более экзотическое объяснение.
Но интерес к происхождению продолжался, и Geminga остался в центре исследований. Ученые провели анализ десятилетия данных гамма-излучения Geminga, полученных телескопом Ферми (LAT), который наблюдает свет с более низкой энергией, чем HAWC.
«Чтобы изучить гало, мы должны были вычесть все другие источники гамма-лучей, включая рассеянный свет, производимый столкновениями космических лучей с межзвездными газовыми облаками», — говорят астрономы. «Мы исследовали данные, используя 10 различных моделей межзвездной эмиссии.»
То, что осталось, когда эти источники были удалены, было обширным, продолговатым свечением, охватывающим около 20 градусов на небосклоне с энергией 10 миллиардов электрон-вольт (ГэВ). Это похоже на размер знаменитого созвездия Большой Медведицы, а гало было еще больше при более низких энергиях.
Ученые определили, что данные Ферми были совместимы с более ранними наблюдениями HAWC. Только Geminga может быть ответственна за целых 20% высокоэнергетических позитронов, наблюдаемых в эксперименте AMS-02.
Экстраполируя это на кумулятивное излучение от всех пульсаров в нашей галактике, ученые говорят, что ясно, что пульсары остаются лучшим объяснением избытка позитронов.
Mattia Di Mauro et al. Detection of a γ -ray halo around Geminga with the Fermi -LAT data and implications for the positron flux, Physical Review D (2019). DOI: 10.1103/PhysRevD.100.123015