На uCrazy 8 лет 11 месяцев
Существуют ли антимиры во Вселенной? К чему пришли ученые?
Современная гамма-астрономия связана с одной из самых экзотических проблем астрофизики — с поисками антивещества во Вселенной. Хотя в микроскопических количествах антивещество давно уже найдено, однако пока нет серьезных оснований для того, чтобы считать возможным существование в космосе антимиров — больших районов, заполненных антивеществом.
И все же... Первая античастица — позитрон — была открыта в составе космических лучей еще в 1932 году. Позитрон можно было бы называть антиэлектроном, так как от электрона он отличается только знаком заряда. Сейчас известны сотни различных античастиц, самая тяжелая из них — ядро антигелия — получена в опытах на Серпуховском ускорителе. Взаимодействие частицы и соответствующей ей античастицы приводит к аннигиляции: обе они исчезают, превращаясь в излучение, в фотоны. Энергия, а значит, и частота излучения, зависит от масс частиц, по всегда попадает в гамма-диапазон.
Так, например, если при аннигиляции покоящихся электрона и позитрона возникают два фотона, то энергия каждого из них равна Е = mс2 = 511 кэв, то есть энергии покоя электрона или позитрона (m — масса электрона или позитрона, с — скорость света). Энергия 511 кэв уже лежит в гамма-диапазоне, так как условная граница между рентгеновскими и гамма-лучами лежит где-то в районе частот 2 • 10(19) герц, то есть в районе энергии 100 кэв. Для частиц, более тяжелых, чем электрон, характерная энергия излучения еще больше. В принципе присутствие позитронов в удаленных астрономических объектах можно установить по появлению гамма-линий в спектрах излучения этих объектов. Попытки обнаружить гамма-излучение с энергией 511 кэв предпринимались уже довольно давно. С этой целью использовалась аппаратура, установленная на спутниках или высотных баллонах, поскольку гамма-кванты поглощаются в атмосфере и до поверхности Земли не доходят. В августе 1973 года американские исследователи В. Джонсон и Р. Хэймс сообщили о результатах обработки данных, полученных в 1970— 1971 годах с помощью приборов, установленных на высотных баллонах. Было обнаружено гамма-излучение с энергией 476± 24 кэв, что заметно отличается от величины 511 кэв, которая могла бы служить, верным признаком аннигиляции.
Казалось бы, зарегистрированная энергия указывает на другой механизм излучения. Например, можно предположить, что гамма-кванты возникают при переходах атомных ядер из возбужденных состояний в основные, не возбужденные. И все же обнаруженное излучение рассматривалось в ряде теоретических работ как результат аннигиляции вещества с антивеществом, электронов с позитронами. А то, что энергия излучения отличается от величины 511 кэв, твердо установленной для земных реакций аннигиляции, пытались объяснить последующим уменьшением энергии гамма-квантов, которое может происходить по разным причинам. Одна из возможных причин — гравитационное красное смещение. Этот эффект особенно заметен при испускании фотонов с поверхности очень компактных и массивных звезд. Допустим, что аннигиляция вещества с антивеществом происходит около нейтроном звезды с радиусом в десять километров и массой порядка массы Солнца. В этом случае гамма-кванты, двигаясь от звезды, могут терять до 20% своей энергии на преодоление силы гравитационного притяжения. С уменьшением энергии квантов излучения его частота также уменьшается, сдвигаясь к длинноволновой («красной») области спектра. Поэтому описанное явление и называют гравитационным красным смещением.
Итог таков: самым вероятным процессом, который может объяснить зарегистрированное гамма-излучение, все же остается аннигиляция позитронов, взаимодействие их с обычным веществом. А значит, где-то во Вселенной есть заметное количество антивещества. Пока не установлено, от каких астрономических объектов приходит регистрируемое гамма-излучение. Возможно, оно генерируется в ядре Галактики или в ее газовом диске, где сосредоточена основная масса звезд. Поток гамма-квантов оказался очень мощным, и если источник излучения находится в центре Галактики, то его мощность должна быть примерно 1037 эрг/сек. Это почти в десять тысяч раз больше полной мощности излучения Солнца. За счет каких процессов может образоваться так много позитронов? Теоретиками обсуждаются две основные возможности. Во-первых, позитроны возникают при взаимодействии частиц, входящих в состав космических лучей, с межзвездным газом. Во-вторых, позитроны появляются за счет ядерных реакций во время мощных взрывов звезд. Расчет показывает, что космические лучи, по-видимому, не могут обеспечить наблюдаемый поток гамма-излучения. Вторая возможность кажется более правдоподобной. Американский физик Д. Клайтон оценил количество позитронов, возникающих при взрывах сверхновых звезд, и пришел к выводу, что их может быть достаточно для объяснения наблюдаемого гамма-излучения.
Основным поставщиком позитронов в этой теоретической схеме является радиоактивный кобальт. Ядра кобальта возникают в результате взрывных процессов и, распадаясь в среднем за 77 дней, дают позитроны, нейтрино и ядра железа. Если эта модель подтвердится дальнейшими экспериментами и расчетами, то гамма-астрономия окажется средством проверки теории взрыва сверхновых звезд. Это очень важно для астрофизики в целом. Ведь, по современным представлениям, при взрывах сверхновых звезд синтезируются все тяжелые элементы, которые наблюдаются в природе.
Так, например, если при аннигиляции покоящихся электрона и позитрона возникают два фотона, то энергия каждого из них равна Е = mс2 = 511 кэв, то есть энергии покоя электрона или позитрона (m — масса электрона или позитрона, с — скорость света). Энергия 511 кэв уже лежит в гамма-диапазоне, так как условная граница между рентгеновскими и гамма-лучами лежит где-то в районе частот 2 • 10(19) герц, то есть в районе энергии 100 кэв. Для частиц, более тяжелых, чем электрон, характерная энергия излучения еще больше. В принципе присутствие позитронов в удаленных астрономических объектах можно установить по появлению гамма-линий в спектрах излучения этих объектов. Попытки обнаружить гамма-излучение с энергией 511 кэв предпринимались уже довольно давно. С этой целью использовалась аппаратура, установленная на спутниках или высотных баллонах, поскольку гамма-кванты поглощаются в атмосфере и до поверхности Земли не доходят. В августе 1973 года американские исследователи В. Джонсон и Р. Хэймс сообщили о результатах обработки данных, полученных в 1970— 1971 годах с помощью приборов, установленных на высотных баллонах. Было обнаружено гамма-излучение с энергией 476± 24 кэв, что заметно отличается от величины 511 кэв, которая могла бы служить, верным признаком аннигиляции.
Казалось бы, зарегистрированная энергия указывает на другой механизм излучения. Например, можно предположить, что гамма-кванты возникают при переходах атомных ядер из возбужденных состояний в основные, не возбужденные. И все же обнаруженное излучение рассматривалось в ряде теоретических работ как результат аннигиляции вещества с антивеществом, электронов с позитронами. А то, что энергия излучения отличается от величины 511 кэв, твердо установленной для земных реакций аннигиляции, пытались объяснить последующим уменьшением энергии гамма-квантов, которое может происходить по разным причинам. Одна из возможных причин — гравитационное красное смещение. Этот эффект особенно заметен при испускании фотонов с поверхности очень компактных и массивных звезд. Допустим, что аннигиляция вещества с антивеществом происходит около нейтроном звезды с радиусом в десять километров и массой порядка массы Солнца. В этом случае гамма-кванты, двигаясь от звезды, могут терять до 20% своей энергии на преодоление силы гравитационного притяжения. С уменьшением энергии квантов излучения его частота также уменьшается, сдвигаясь к длинноволновой («красной») области спектра. Поэтому описанное явление и называют гравитационным красным смещением.
Итог таков: самым вероятным процессом, который может объяснить зарегистрированное гамма-излучение, все же остается аннигиляция позитронов, взаимодействие их с обычным веществом. А значит, где-то во Вселенной есть заметное количество антивещества. Пока не установлено, от каких астрономических объектов приходит регистрируемое гамма-излучение. Возможно, оно генерируется в ядре Галактики или в ее газовом диске, где сосредоточена основная масса звезд. Поток гамма-квантов оказался очень мощным, и если источник излучения находится в центре Галактики, то его мощность должна быть примерно 1037 эрг/сек. Это почти в десять тысяч раз больше полной мощности излучения Солнца. За счет каких процессов может образоваться так много позитронов? Теоретиками обсуждаются две основные возможности. Во-первых, позитроны возникают при взаимодействии частиц, входящих в состав космических лучей, с межзвездным газом. Во-вторых, позитроны появляются за счет ядерных реакций во время мощных взрывов звезд. Расчет показывает, что космические лучи, по-видимому, не могут обеспечить наблюдаемый поток гамма-излучения. Вторая возможность кажется более правдоподобной. Американский физик Д. Клайтон оценил количество позитронов, возникающих при взрывах сверхновых звезд, и пришел к выводу, что их может быть достаточно для объяснения наблюдаемого гамма-излучения.
Основным поставщиком позитронов в этой теоретической схеме является радиоактивный кобальт. Ядра кобальта возникают в результате взрывных процессов и, распадаясь в среднем за 77 дней, дают позитроны, нейтрино и ядра железа. Если эта модель подтвердится дальнейшими экспериментами и расчетами, то гамма-астрономия окажется средством проверки теории взрыва сверхновых звезд. Это очень важно для астрофизики в целом. Ведь, по современным представлениям, при взрывах сверхновых звезд синтезируются все тяжелые элементы, которые наблюдаются в природе.
Комментариев пока нет
