Bản đồ toàn bộ bầu trời của mô hình ‘hào quang + đĩa phù hợp nhất của phát xạ tia gamma 511 keV. Tín dụng hình ảnh: INTEGRAL. Nhấn vào đây để phóng to.
Positron, đối tác chống vật chất của electron, được dự đoán bởi Paul Dirac từ - tại thời điểm cách mạng - phương trình sóng lượng tử cho electron. Vài năm sau, vào năm 1932, Carl Anderson đã phát hiện ra positron trong các tia vũ trụ và Dirac đã nhận được giải thưởng Nobel năm 1933 và Anderson năm 1936.
Khi một positron gặp một electron, chúng hủy diệt, tạo ra hai tia gamma. Tuy nhiên, đôi khi, sự hủy diệt được bắt đầu bằng sự hình thành positronium, giống như một nguyên tử hydro với proton được thay thế bằng positron (positronium có ký hiệu riêng là Ps). Positronium có hai dạng, không ổn định và phân rã thành hai gamma (trong khoảng 0,1 nano giây) hoặc ba (trong khoảng 100 nano giây).
Các nhà thiên văn học đã biết từ những năm 1970 rằng phải có rất nhiều positron trong vũ trụ. Tại sao? Bởi vì khi một positron và electron hủy nhau để tạo ra hai gamma, cả hai đều có cùng bước sóng, khoảng 0,024 hoặc 0,0024nm (các nhà thiên văn học, như các nhà vật lý hạt, không nói về bước sóng của tia gamma, họ nói về năng lượng của chúng; keV trong trường hợp này). Vì vậy, nếu bạn nhìn lên bầu trời với tầm nhìn tia gamma - tất nhiên là từ trên bầu khí quyển! - bạn biết có rất nhiều positron vì bạn có thể thấy rất nhiều gam màu của một "màu", 511 keV (tương tự như kết luận có rất nhiều hydro trong vũ trụ bằng cách nhận thấy rất nhiều H alpha đỏ (1,9 eV) trong bầu trời đêm).
Từ phổ của sự phân rã ba gamma của positronium, so với cường độ dòng 511 keV, các nhà thiên văn học bốn năm trước đã tìm ra khoảng 93% positron có sự hủy diệt mà chúng ta thấy là positronium trước khi chúng phân rã.
Bao nhiêu positronium? Trong dải ngân hà, khoảng 15 tỷ (nghìn triệu) tấn positron bị hủy diệt mỗi giây. Đó là khối lượng lớn như các electron trong hàng chục nghìn tỷ tấn mà chúng ta đã từng sử dụng, như đá hoặc nước; gần bằng một tiểu hành tinh cỡ trung bình, rộng 40 km.
Bằng cách phân tích dữ liệu INTEGRAL được phát hành công khai (trị giá khoảng một năm), J? Rgen Kn? Dlseder và các đồng nghiệp đã phát hiện ra rằng:
- các positron đang bị hủy trong đĩa Milky Way rất có thể đến từ sự phân rã beta + (tức là positron) của các đồng vị Aluminium-26 và Titanium-44, được tạo ra trong các siêu tân tinh gần đây (hãy nhớ rằng, các nhà thiên văn học gọi là 10 triệu năm trước 'gần đây')
- tuy nhiên, có nhiều positron bị hủy trong phình dải Ngân hà hơn trong đĩa, theo hệ số năm
- Don don dường như có bất kỳ nguồn ‘điểm nào.
Tất nhiên, đối với một nhà khoa học INTEGRAL, một nguồn ’điểm của Google không có ý nghĩa tương tự như đối với một nhà thiên văn nghiệp dư! Tầm nhìn tia gamma trong dòng positronium cực kỳ mờ, một vật thể sáu Moons ngang qua (3?) Sẽ trông giống như một điểm point! Tuy nhiên, Kn? Dlseder và nhóm thám tử vật lý thiên văn của anh ta có thể nói rằng, không có nguồn nào chúng tôi tìm kiếm cho thấy một dòng chảy 511 keV đáng kể; 40 nghi phạm thông thường này bao gồm các xung, quasar, lỗ đen, tàn dư siêu tân tinh, các khu vực hình thành sao, cụm thiên hà phong phú, thiên hà vệ tinh và blazar. Nhưng, họ vẫn đang tìm kiếm, chúng tôi thực sự [đã lên kế hoạch] các quan sát INTEGRAL dành riêng cho các nghi phạm thông thường, như siêu tân tinh loại I (SN1006, Tycho) và LMXB (Cen X-4) có thể giúp giải quyết vấn đề này .
Vậy, 15 tỷ tấn positron bị tiêu diệt mỗi giây trong khối phồng đến từ đâu? Đối với tôi, điều quan trọng nhất về sự hủy diệt positron là nguồn chính vẫn còn là một bí ẩn, theo ông Kn. Chúng ta có thể giải thích sự phát xạ mờ từ đĩa bằng phân rã Nhôm-26, nhưng phần lớn các positron nằm ở vùng phình ra của Thiên hà và chúng ta không có nguồn nào có thể dễ dàng giải thích tất cả các đặc điểm quan sát. Cụ thể, nếu bạn so sánh bầu trời 511 keV với bầu trời quan sát được ở các bước sóng khác, bạn sẽ nhận ra rằng bầu trời 511 keV là duy nhất! Không có bầu trời nào giống với những gì chúng ta quan sát.
Nhóm INTEGRAL cảm thấy họ có thể loại trừ các ngôi sao lớn, các khối sụp đổ, các xung hoặc các tương tác tia vũ trụ, vì nếu đây là nguồn của các positron phình ra, thì đĩa sẽ sáng hơn nhiều trong ánh sáng 511 keV.
Các positron phình có thể đến từ các nhị phân tia X có khối lượng thấp, tân tinh cổ điển hoặc siêu tân tinh loại 1a, thông qua nhiều quá trình. Thách thức trong mỗi trường hợp là tìm hiểu làm thế nào đủ positron được tạo ra bởi những thứ này có thể tồn tại đủ lâu sau đó và khuếch tán đủ xa từ nơi sinh của chúng.
Còn dây vũ trụ thì sao? Trong khi bài báo Tanmay Vachaspati gần đây đề xuất những điều này như là một nguồn có thể của các positron phình ra gần đây cho Kn? Dlseder et al. để xem xét cho bài báo của họ, Tuy nhiên đối với tôi không rõ ràng rằng chúng ta có đủ các ràng buộc quan sát để nói rằng các chuỗi vũ trụ tạo ra 511 keV; chúng tôi thậm chí còn biết nếu chuỗi vũ trụ tồn tại. Người ta sẽ cần một đặc tính độc đáo của các chuỗi vũ trụ loại trừ tất cả các nguồn khác, và ngày nay tôi nghĩ rằng chúng ta cách xa điều này.
Có lẽ thú vị nhất, các positron có thể đến từ sự hủy diệt của một hạt vật chất tối có khối lượng thấp và chất chống hạt của nó, hoặc như Kn? Dlseder et al. đặt nó hủy diệt vật chất tối nhẹ (1-100 MeV), như đề xuất gần đây của Boehm et al. (2004), có lẽ là nguồn ứng cử viên kỳ lạ nhất nhưng cũng là nguồn ứng viên thú vị nhất của các positron thiên hà. Vật chất tối thậm chí còn kỳ lạ hơn positronium; vật chất tối không phải là vật chất chống lại, và không ai có thể nắm bắt được nó, chứ đừng nói đến việc nghiên cứu nó trong phòng thí nghiệm. Các nhà thiên văn học chấp nhận rằng nó có mặt ở khắp nơi và theo dõi bản chất của nó là một trong những chủ đề nóng nhất trong cả vật lý thiên văn và vật lý hạt. Nếu hàng tỷ tấn mỗi giây của positron bị hủy trong phình Ngân hà không thể đến từ siêu tân tinh cổ điển hoặc siêu tân tinh, thì có lẽ vật chất tối tốt là điều đáng trách.
