All-sky kort over den bedst tilpassede 'halo + disk' model af 511 keV gammastråle linjeemission. Billedkredit: INTEGRAL. Klik for at forstørre.
Positronen, antistofens modstykke til elektronet, blev forudsagt af Paul Diracs - på det tidspunkt revolutionerende - kvantebølgeforligelse for elektronet. Få år senere, i 1932, opdagede Carl Anderson positronen i kosmiske stråler, og Dirac fik Nobelprisen i 1933 og Anderson i 1936.
Når en positron møder et elektron, udslettes de og producerer to gammastråler. Nogle gange foregår udslettelsen imidlertid af dannelsen af positronium, der er som et hydrogenatom med protonen erstattet af en positron (positronium har sit eget symbol, Ps). Positronium findes i to former, er ustabil og nedbrydes i enten to gammas (inden for ca. 0,1 nanosekunder) eller tre (inden for ca. 100 nanosekunder).
Astronomer har siden 1970'erne vidst, at der skal være en masse positroner i universet. Hvorfor? For når en positron og elektron udslettes til at give to gammas, begge har den samme bølgelængde, ca. 0,024 Å eller 0,0024 nm (astronomer, som partikelfysikere, taler ikke om bølgelængderne for gammastråler, taler de om deres energi; 511 keV i dette tilfælde). Så hvis du ser på himlen med gamma-ray vision - ovenfra atmosfæren selvfølgelig! - du ved, at der var masser af positroner, fordi du kan se masser af gammas af en enkelt 'farve', 511 keV (det svarer til at konkludere, at der er masser af brint i universet ved at bemærke masser af det røde (1,9 eV) H alfa i nattehimmel).
Fra spektret for det tre-gamma forfald af positronium sammenlignet med 511 keV-linjens intensitet, arbejdede astronomer for fire år siden, at omkring 93% af positroner, hvis udryddelse vi ser danner positronium, før de forfalder.
Hvor meget positronium? I Mælkevejen udbules udslettes ca. 15 milliarder (tusind millioner) tons positroner hvert sekund. Det er lige så meget masse som elektronerne i titusenvis af billioner af tons ting, vi er vant til, som klipper eller vand; omtrent lige så meget som i en mellemstor asteroide, 40 km på tværs.
Ved at analysere de offentligt frigivne INTEGRAL data (ca. et års værd) fandt J? Rgen Kn? Dlseder og hans kolleger, at:
- de positroner, der bliver udslettet i Mælkevejen disken, kommer sandsynligvis fra beta + (dvs. positron) forfald af isotoperne Aluminium-26 og Titanium-44, som selv blev produceret i nylige supernovaer (husk, astronomer kalder endda 10 millioner år siden 'nylig')
- der er dog flere positroner, der udslettes i Mælkevejen udbukken end på disken, med en faktor på fem
- der ser ikke ud til at være nogen "punkt" -kilder.
For en INTEGRAL videnskabsmand har en 'punkt' kilde naturligvis ikke helt den samme betydning, som den gør for en amatørastronom! Gamma-ray vision i positronium-linjen er utroligt sløret, en genstand seks måner på tværs (3?) Ville ligne et 'punkt'! Ikke desto mindre er Kn? Dlseder og hans team af astrofysiske slæder i stand til at sige, at "ingen af de kilder, vi søgte efter, viste en betydelig 511 keV-flux"; disse 40 'sædvanlige mistænkte' inkluderer pulsarer, kvasarer, sorte huller, supernovaerester, stjernedannende regioner, rige galakse-klynger, satellitgalakser og blazarer. Men de ser stadig ud, ”Vi har faktisk [planlagt] dedikeret INTEGRAL observationer af de sædvanlige mistænkte, såsom type Ia-supernovaer (SN1006, Tycho) og LMXB (Cen X-4), som kan hjælpe med at løse dette problem .”
Så hvor kommer de 15 milliarder ton positroner, der udslettes hvert sekund i udbuelsen? ”For mig er det vigtigste ved positron-udryddelsen, at den vigtigste kilde stadig er et mysterium,” siger Kn? Dlseder. ”Vi kan forklare den svage emission fra disken ved henfald af aluminium-26, men hovedparten af positroner er placeret i buleområdet i Galaxy, og vi har ingen kilde, der let kan forklare alle observationsegenskaber. Især hvis du sammenligner 511 keV-himlen med himlen, der observeres ved andre bølgelængder, anerkender du, at 511 keV-himlen er unik! Der er ingen anden himmel, der ligner det, vi observerer. ”
INTEGRAL-teamet føler, at de kan udelukke massive stjerner, kollapsar, pulsarer eller kosmiske stråleinteraktioner, for hvis disse var kilden til udbulingspositroner, ville disken være meget lysere i 511 keV-lys.
Udbulingspositronerne kan komme fra røntgenstråle-binære lavmasse, klassiske novæer eller type 1a-supernovaer gennem en række forskellige processer. I begge tilfælde er udfordringen at forstå, hvordan tilstrækkelige positroner skabt af disse kunne overleve længe nok bagefter og diffundere langt nok fra deres fødesteder.
Hvad med kosmiske strenge? Mens det nylige Tanmay Vachaspati-papir, der foreslog disse som en mulig kilde til udbulingspositroner, kom for nyligt ud for Kn? Dlseder et al. at overveje for deres papir, ”Alligevel for mig er det ikke indlysende, at vi har nok observationsbegrænsninger til at påstå, at kosmiske strenge gør 511 keV; vi ved ikke engang, om der findes kosmiske strenge. Man har brug for en unik egenskab ved kosmiske strenge, der udelukker alle andre kilder, og i dag tror jeg, vi er langt fra dette. ”
Måske mest spændende kan positronerne komme fra udslettelsen af en mørkstofpartikel med lav masse og dens anti-partikel, eller som Kndlseder et al. sætte det ”Lys mørk materie (1-100 MeV) udslettelse, som for nylig blev foreslået af Boehm et al. (2004), er sandsynligvis den mest eksotiske, men også den mest spændende kandidatkilde til galaktiske positroner. ” Mørk stof er endnu mere eksotisk end positronium; mørk stof er ikke anti-stof, og ingen har været i stand til at fange den, let at undersøge den i et laboratorium. Astronomer accepterer, at det er allestedsnærværende, og at spore dens natur er et af de hotteste emner inden for både astrofysik og partikelfysik. Hvis milliarder af ton pr. Sekund positroner, der er udslettet i Mælkevejen, ikke kan komme fra klassiske novæer eller termonukleære supernovaer, er måske god gammel mørk stof skylden.
