Observatorium i høj højde kaster lys over oprindelsen af ​​overskydende antistof

Et bjergtop observatorium i Mexico, bygget og drevet af et internationalt hold af videnskabsmænd, har fanget det første vidvinkelbillede af gammastråler, der stammer fra to hurtigt roterende stjerner. High-Altitude Water Cherenkov (HAWC) Gamma-Ray-observatoriet gav det friske perspektiv på højenergi lysstrømning fra disse stjernens naboer, sår alvorlig tvivl om en mulig forklaring på et mystisk overskud af antistofpartikler nær Jorden.

I 2008 astronomer observerede et uventet højt antal positroner - elektronernes antistof-fætre - i kredsløb et par hundrede miles over Jordens atmosfære. Lige siden, videnskabsmænd har diskuteret årsagen til anomalien, delt over to konkurrerende teorier om dens oprindelse. Nogle foreslog en simpel forklaring:De ekstra partikler kan komme fra nærliggende kollapsede stjerner kaldet pulsarer, som drejer rundt flere gange i sekundet og kaster elektroner af, positroner og andet stof med voldsom kraft. Andre spekulerede i, at de ekstra positroner kunne komme fra processer, der involverer mørkt stof - det usynlige, men gennemtrængende stof, der hidtil kun er set gennem dets tyngdekraft.

Ved at bruge nye data fra HAWC-observatoriet, forskere foretog de første detaljerede målinger af to pulsarer, der tidligere var identificeret som mulige kilder til positronoverskuddet. Ved at fange og tælle partikler af lys, der strømmer fra disse nærliggende stjernemotorer, HAWC -samarbejdsforskere fandt ud af, at de to pulsarer sandsynligvis ikke er oprindelsen til positronoverskuddet. På trods af at den er den rigtige alder og den rigtige afstand fra Jorden, pulsarerne er omgivet af en udstrakt grumset sky, der forhindrer de fleste positroner i at undslippe, ifølge resultater offentliggjort den 17. november, 2017 nummer af tidsskriftet Videnskab .

"Denne nye måling er fristende, fordi den stærkt forkaster tanken om, at disse ekstra positroner kommer til Jorden fra to nærliggende pulsarer, i det mindste når du antager en relativt simpel model for, hvordan positroner diffunderer væk fra disse spinnende stjerner, " sagde Jordan Goodman, professor i fysik ved University of Maryland og den ledende efterforsker og amerikansk talsmand for HAWC -samarbejdet. "Vores måling afgør ikke spørgsmålet til fordel for mørkt stof, men enhver ny teori, der forsøger at forklare overskuddet ved hjælp af pulsarer, skal tage højde for, hvad vi har fundet."

Francisco Salesa Greus, den ledende korresponderende forfatter til det nye papir og en videnskabsmand ved Instituttet for Kernefysik ved det polske videnskabsakademi i Krakow, Polen, tilføjede, at "vi er tættere på at forstå oprindelsen af ​​positronoverskuddet efter at have ekskluderet to af hovedkildekandidaterne."

Et øje i himlen

Som med et almindeligt kamera, opsamling af masser af lys giver HAWC mulighed for at bygge skarpe billeder af individuelle gammastrålekilder. De mest energiske gammastråler stammer fra de store stjerners kirkegårde, omkring stjernerester som de snurrende pulsar-rester af supernovaer. Men det lys kommer ikke fra stjernerne selv. I stedet, det skabes, når den roterende pulsar accelererer partikler til ekstremt høje energier, hvilket får dem til at smadre ind i fotoner med lavere energi tilbage fra det tidlige univers.

Størrelsen af ​​affaldsfeltet omkring kraftige pulsarer, målt ved den plet af himlen, der lyser klart i gammastråler, fortæller forskerne, hvor hurtigt stof bevæger sig i forhold til de snurrende stjerner. Dette gør det muligt for forskere at vurdere, hvor hurtigt positroner bevæger sig, og hvor mange positroner, der kunne have nået Jorden fra en given kilde.

Ved at bruge et nyligt offentliggjort HAWC-katalog over højenergihimlen, forskere har fritaget den nærliggende pulsar Geminga og dens søster - pulsaren PSR B0656+14 - som kilder til positronoverskuddet. Selvom de to er gamle nok og tæt nok til at tage højde for overskuddet, sagen driver ikke væk fra pulsarerne hurtigt nok til at have nået Jorden.

"Gammastrålerne HAWC-målene viser, at der er højenergipositroner, der undslipper fra disse kilder, "sagde Rubén López-Coto, en videnskabsmand ved Max Planck Institute for Nuclear Physics i Heidelberg, Tyskland og en tilsvarende forfatter. "Men ifølge vores måling, de kunne ikke bidrage væsentligt til de ekstra positroner, der ses på Jorden."

Denne måling ville ikke have været mulig uden HAWC's brede udsyn. Den scanner kontinuerligt omkring en tredjedel af himlen ovenover, som gav forskere et bredt overblik over rummet omkring pulsarerne. Andre observatorier, der så efter højenergiske gammastråler med et meget snævrere synsfelt, savnede pulsarernes udvidede natur.

HAWC Observatory sidder i en højde af 13, 500 fod, flankerer Sierra Negra-vulkanen inde i Pico de Orizaba National Park i den mexicanske delstat Puebla. Den består af mere end 300 massive vandtanke, der sidder og venter på kaskader af partikler initieret af højenergipakker af lys kaldet gammastråler - hvoraf mange har mere end 10 millioner gange energien af ​​en tandrøntgenstråle.

Når disse gammastråler smadrer ind i den øvre atmosfære, de sprænger atomer fra hinanden i luften, producerer en byge af partikler, der bevæger sig med næsten lysets hastighed mod jorden. Når denne bruser når HAWC's tanke, den producerer koordinerede blink af blåt lys i vandet, giver forskere mulighed for at rekonstruere energien og den kosmiske oprindelse af gammastrålen, der startede kaskaden.

"Takket være dens brede synsfelt, HAWC leverer unikke målinger af gamma-stråleprofilerne med meget høj energi forårsaget af partikeldiffusion omkring nærliggende pulsarer, som giver os mulighed for at bestemme, hvor hurtigt partiklerne diffunderer mere direkte end tidligere målinger, "siger Hao Zhou, en videnskabsmand ved Los Alamos National Laboratory i New Mexico og en tilsvarende forfatter til det nye papir.

Det er muligt, at en ny indsigt om astrofysikken i disse pulsarer og deres lokale miljøer kunne stå for positronoverskuddet på Jorden, men det ville kræve en mere kompliceret teori om positrondiffusion, end fysikere i samarbejdet mener er sandsynlige. På den anden side, mørkt stof kan give den rigtige forklaring, men mere bevis vil i sidste ende være nødvendig for at afgøre.