All-sky kaart van het best passende ‘halo + schijf’ model van 511 keV gammastraling lijnemissie. Afbeelding tegoed: INTEGRAL. Klik om te vergroten.
Het positron, de antimaterie-tegenhanger van het elektron, werd voorspeld door Paul Dirac's - destijds revolutionaire - kwantumgolfvergelijking voor het elektron. Een paar jaar later, in 1932, ontdekte Carl Anderson de positron in kosmische straling en ontving Dirac de Nobelprijs in 1933 en Anderson in 1936.
Wanneer een positron een elektron ontmoet, vernietigen ze en produceren ze twee gammastralen. Soms wordt de vernietiging echter voorafgegaan door de vorming van positronium, dat is als een waterstofatoom waarbij het proton is vervangen door een positron (positronium heeft zijn eigen symbool, Ps). Positronium komt in twee vormen voor, is onstabiel en vervalt in twee gamma's (binnen ongeveer 0,1 nanoseconden) of drie (binnen ongeveer 100 nanoseconden).
Astronomen weten al sinds de jaren zeventig dat er veel positronen in het universum moeten zijn. Waarom? Want wanneer een positron en een elektron vernietigen om twee gamma's te geven, hebben ze beide dezelfde golflengte, ongeveer 0,024 Å of 0,0024 nm (astronomen praten, net als deeltjesfysici, niet over de golflengten van gammastraling, ze praten over hun energie; 511 keV in dit geval). Dus als je met gammastraling naar de lucht kijkt - natuurlijk van bovenaf! - je weet dat er veel positronen waren omdat je veel gamma's van een enkele 'kleur' van 511 keV kunt zien (het is vergelijkbaar met te concluderen dat er veel waterstof in het universum is door veel rode (1.9 eV) H-alfa op te merken in de nachtelijke hemel).
Uit het spectrum van het drie-gamma-verval van positronium, vergeleken met de 511 keV-lijnintensiteit, hebben astronomen vier jaar geleden berekend dat ongeveer 93% van de positronen wiens annihilatie we zien positronium vormen voordat ze vervallen.
Hoeveel positronium? In de bobbel van de Melkweg wordt elke seconde ongeveer 15 miljard (duizend miljoen) ton positronen vernietigd. Dat is evenveel massa als de elektronen in tientallen biljoenen tonnen spullen die we gewend zijn, zoals rotsen of water; ongeveer evenveel als bij een middelgrote asteroïde, 40 km breed.
Door de openbaar gemaakte INTEGRAL-gegevens (ongeveer een jaar) te analyseren, ontdekten J? Rgen Kn? Dlseder en zijn collega's dat:
- de positronen die worden vernietigd in de Melkwegschijf zijn hoogstwaarschijnlijk afkomstig van het beta + (dwz positron) verval van de isotopen Aluminium-26 en Titanium-44, die zelf werden geproduceerd in recente supernova's (denk eraan, astronomen noemen zelfs 10 miljoen jaar geleden 'recent')
- er worden echter meer positronen vernietigd in de uitstulping van de Melkweg dan in de schijf, met een factor vijf
- er lijken geen ‘punt’ bronnen te zijn.
Natuurlijk heeft een 'punt'-bron voor een INTEGRALE wetenschapper niet dezelfde betekenis als voor een amateurastronoom! De gammastraling in de positroniumlijn is ongelooflijk wazig, een object van zes manen tegenover (3?) Ziet eruit als een ‘punt’! Desalniettemin kunnen Kn? Dlseder en zijn team van astrofysische speurneuzen zeggen dat "geen van de bronnen waarnaar we zochten een significante 511 keV flux vertoonde"; deze 40 'gebruikelijke verdachten' zijn onder meer pulsars, quasars, zwarte gaten, supernova-resten, stervormingsgebieden, rijke sterrenstelsels, satellietstelsels en blazars. Maar ze kijken nog steeds: 'We hebben inderdaad [gepland] speciale INTEGRALE observaties van de gebruikelijke verdachten, zoals Type Ia supernovae (SN1006, Tycho) en LMXB (Cen X-4) die kunnen helpen om dit probleem op te lossen . '
Dus, waar komt de 15 miljard ton positronen die elke seconde in de uitstulping worden vernietigd vandaan? 'Voor mij is het belangrijkste van de positronvernietiging dat de belangrijkste bron nog steeds een mysterie is', zegt Kn? Dlseder. “We kunnen de zwakke emissie van de schijf verklaren door aluminium-26-verval, maar het grootste deel van de positronen bevindt zich in het uitstulpingsgebied van de Melkweg en we hebben geen bron die alle waarnemingskenmerken gemakkelijk kan verklaren. In het bijzonder, als je de 511 keV-lucht vergelijkt met de lucht die op andere golflengten wordt waargenomen, herken je dat de 511 keV-hemel uniek is! Er is geen andere lucht die lijkt op wat we waarnemen. '
Het INTEGRAL-team is van mening dat ze massieve sterren, collapsars, pulsars of interacties met kosmische straling kunnen uitsluiten, want als deze de bron waren van de bobbelposities, dan zou de schijf veel helderder zijn in 511 keV licht.
De bolling positronen kunnen afkomstig zijn van röntgenstraalbinaire bestanden met een lage massa, klassieke novae of type 1a supernovae, door middel van een verscheidenheid aan processen. De uitdaging in elk geval is om te begrijpen hoe voldoende positronen die hierdoor worden gecreëerd, lang genoeg kunnen overleven en ver genoeg van hun geboorteplaats kunnen diffunderen.
Hoe zit het met kosmische snaren? Terwijl het recente Tanmay Vachaspati-artikel dat deze als een mogelijke bron van de uitstulpingen voorstelt, te recent voor Kn? Dlseder et al. Uitkwam. om voor hun artikel te overwegen: “Maar voor mij is het niet duidelijk dat we genoeg observatiebeperkingen hebben om te stellen dat kosmische snaren de 511 keV maken; we weten niet eens of er kosmische snaren zijn. Je zou een uniek kenmerk van kosmische snaren nodig hebben dat alle andere bronnen uitsluit, en vandaag denk ik dat we daar verre van zijn. '
Misschien wel het meest opwindend, de positronen kunnen afkomstig zijn van de vernietiging van een laag-massa deeltje met donkere materie en zijn anti-deeltje, of zoals Kn? Dlseder et al. noem het “Lichte donkere materie (1-100 MeV) vernietiging, zoals recentelijk gesuggereerd door Boehm et al. (2004), is waarschijnlijk de meest exotische maar ook de meest opwindende kandidaat-bron van galactische positronen. ” Donkere materie is zelfs exotischer dan positronium; donkere materie is geen antimaterie en niemand heeft het kunnen vastleggen, laat staan bestuderen in een laboratorium. Astronomen accepteren dat het alomtegenwoordig is en het opsporen van de aard ervan is een van de populairste onderwerpen in zowel de astrofysica als de deeltjesfysica. Als de miljarden tonnen per seconde positronen die zijn vernietigd in de uitstulping van de Melkweg niet afkomstig kunnen zijn van klassieke novae of thermonucleaire supernova's, dan is misschien de goede oude donkere materie de schuldige.
