Есть ли вообще проблема с космическими позитронами?

Три возможных источника античастиц

Рис. 1. Три возможных источника античастиц (красные стрелки) в космических лучах высокой энергии: 1 — они могут просто возникать и разгоняться в «космическом ускорителе», например в пульсаре; 2 — они могут рождаться при столкновениях обычных космических лучей с атомами межзвездной среды; 3 — они могут возникать при распаде тяжелых частиц темной материи. Какая комбинация этих процессов нужна для объяснения «загадки космических позитронов» — остается пока без ответа

Одна из горячих тем в астрофизике в последние годы связана с загадкой космических позитронов. Однако не все астрофизики согласны с тем, что эта загадка действительно существует. В новом исследовании утверждается, что все «загадочные» данные можно объяснить самыми обычными астрофизическими процессами, не привлекая ни темной материи, ни излишне активных пульсаров. Этот подход, впрочем, тоже критикуется, поэтому ситуация «загадочными» данными остается подвешенной.

Античастицы в космических лучах

Сто лет назад ученые с удивлением обнаружили, что на Землю откуда-то из космоса постоянно «льется» поток космических лучей — заряженных частиц самой разной энергии. (Для первого знакомства подойдет краткий рассказ «Спринтеры глубокого космоса»; более серьезный обзор дан в статье В. Л. Гинзбурга «Астрофизика космических лучей (история и общий обзор)», УФН, февраль, 1996.) Раз космические лучи идут из космоса, от каких-то астрофизических объектов (ведь кто-то их ускоряет до больших энергий!), они должны нести информацию о происходящих там процессах. Поэтому внимательное изучение характеристик космических лучей должно рассказать астрофизикам нечто новое об устройстве Вселенной, что-то такое, что не увидишь в обычные телескопы.

В основном, космические лучи состоят из «обычных» для глубокого космоса частиц: протонов, альфа-частиц и электронов. Но иногда в них встречается и что-то необычное, например частицы антиматерии — антипротоны и позитроны. Откуда они могут взяться, если вся Вселенная состоит из вещества, а не антивещества? Тут есть три основных возможности (рис. 1).

Во-первых, античастицы, в особенности позитроны, могут рождаться вблизи какого-то астрофизического объекта, который работает космическим ускорителем электронов, например пульсара. Тогда он может подхватить и разогнать до больших энергий не только электроны, но и позитроны. Такие позитроны считаются полноправным компонентом первичных космических лучей, однако их происхождение по-прежнему остается астрофизическим.

Даже если античастиц не было в первичных космических лучах, они возникнут при их столкновении с межзвездным веществом. Такие частицы называются вторичными, поскольку они возникают как побочный продукт распространения первичных космических лучей в галактике. Это самый стандартный, «наискучнейший» источник позитронов и антипротонов в космосе.

Типичный результат моделирования магнитного поля в спиральной галактике

Рис. 2. Типичный результат моделирования магнитного поля в спиральной галактике; показан узкий срез шириной в 1 килопарсек в толще диска. Цветом показана напряженность магнитного поля. Рисунок с сайта www.aanda.org

Наконец, еще есть очень интересный вариант, когда античастицы возникают при распаде или аннигиляции частиц темной материи. Несмотря на все усилия физиков, темная материя остается загадочной субстанцией, составленной из частиц неизвестной природы. Но раз такая возможность допустима, это только усиливает интерес к античастицам в космических лучах. Ведь если окажется, что античастиц там слишком много или они имеют какую-то необычную зависимость от энергии, это само по себе уже будет серьезной заявкой на регистрацию частиц темной материи.

Как разобраться с происхождением позитронов?

В последние годы огромный интерес физиков вызвали именно позитроны в космических лучах: их оказалось слишком много. Поэтому дальше речь пойдет только о них. С антипротонами ситуация пока находится в норме.

Что требуется сделать астрофизикам, чтобы разобраться с происхождением космических позитронов? Прежде всего, надо измерить их поток, то есть найти, сколько позитронов на квадратный метр падает на Землю. До недавнего времени спутниковые детекторы могли измерить лишь суммарный поток электронов и позитронов, но не разделить его на две части. Несколько лет назад ситуация изменилась, и теперь детекторы PAMELA, AMS02 и, отчасти, Fermi-LAT умеют измерять долю позитронов. Требуется также измерить, как доля позитронов изменяется с энергией — ведь они возникают не совсем в одинаковых условиях. Есть и другие характеристики, которые тоже можно изучать, но мы не будем на них останавливаться.

Кроме непосредственных наблюдений астрофизикам требуется понять, что должно происходить с позитронной долей, если предположить, что позитроны рождаются за счет каждого из изображенных на рис. 1 механизмов. И вот это, оказывается, очень трудная задача.

Во-первых, характеристики электронов и позитронов меняются по мере распространения в галактике. Электроны и позитроны остывают — теряют энергию за счет синхротронного излучения в магнитном поле. Они также сталкиваются с межзвездным веществом или с фотонами. Они могут вообще на время вылететь из диска галактики, а потом вернуться в него в другом месте. Все такие процессы желательно принимать во внимание.

Во-вторых, плохо известны некоторые характеристики самой галактики, а тем более межгалактической среды. Мы видим звезды, мы видим газопылевые облака, но мы не можем напрямую увидеть, скажем, распределение магнитного поля в галактике. Оно требует численного моделирования, которое и само по себе очень сложно, и вдобавок опирается на некоторые предположения. Моделирование показывает, что магнитное поле в галактике вовсе не однородное и даже не плавно меняющееся, а очень беспорядочное, сильно турбулентное (см. рис. 2). Электроны и позитроны отклоняются этим беспорядочным полем, как бы наматываются на его силовые линии, и поэтому их траектории получаются столь же беспорядочными.

Конечно, теоретики пытаются строить упрощенные модели и как-то промоделировать распространение, остывание и изменение энергетической зависимости электронов и позитронов, но над всеми этими расчетами довлеет постоянная неопределенность. Все ли явления учтены? Все ли предположения оправданны? Все ли выводы устойчивы относительно изменения параметров моделирования? Это приводит к тому, что при сравнении наблюдательных данных с теорией приходится искать какие-то очень надежные, «железобетонные» выводы и не обращать большого внимания на мелкие особенности, меняющиеся от модели к модели.

Данные последних лет

Одной из таких надежных характеристик считалась (или считается, см. обсуждение ниже) энергетическая зависимости позитронной доли. Если предположить, что все позитроны вторичные (луч 2 на рис. 1), то по теоретическим расчетам для энергий выше 1 ГэВ эта доля должна быть небольшой (серая полоса на рис. 3). Кроме того, она должна быстро уменьшаться с ростом энергии. Однако данные, полученные на трех спутниковых детекторах, которые способны разделять электроны и позитроны, показывают нечто совершенно противоположное (цветные точки на рис. 3). Вплоть до 10 ГэВ всё было в порядке, но дальше падение сменилось ростом, и в области 100–300 ГэВ доля позитронов составляет 10–20%, а вовсе не 2–3%, как предсказывали модели. Более подробное описание см. в новости Первые результаты эксперимента AMS-02 интересны, но сенсаций не принесли, «Элементы», 04.04.2013.

Доля позитронов в космических лучах

Рис. 3. Доля позитронов в космических лучах с энергией от 0,5 до 500 ГэВ. Приведены сравнения данных трех космических детекторов (цветные точки) с теоретическими ожиданиями (серая полоса). Изображение с сайта physics.aps.org

Складывалось ощущение, что в космических лучах имеется аномальный избыток позитронов именно высоких энергий, что и получило название «загадка космических позитронов». Эти данные очень воодушевили многих физиков, которые принялись объяснять их частицами темной материи (луч–3 на рис. 1) массой в сотни ГэВ — а это для современных теорий элементарных частиц очень удобный диапазон масс.

Продолжающийся спор астрофизиков

Однако торопиться с таким однозначным выводом о непрямой регистрации частиц темной материи не стоит. Еще в 2009 году многие астрофизики отмечали, что избыток позитронов в данных PAMELA можно списать и на первичные позитроны (луч 1 на рис. 1), идущие от какого-нибудь не слишком далекого пульсара. Конечно, одними словами ограничиваться нельзя, нужно доказать, что близкие пульсары смогут производить столько позитронов, но по-видимому, это им под силу. Но с чем большинство астрофизиков были согласны, так это с тем, что на одни лишь вторичные позитроны эти данные списать не получится.

Однако не все этот вывод разделяли. Еще в 2010 году коллектив авторов опубликовал подробный анализ, который показал, что даже самый «наискучнейший» механизм рождения позитронов тоже может объяснить данные PAMELA. Сейчас, после обнародования данных AMS-02, та же группа повторила расчеты и продолжает утверждать, что всё вполне сходится с гипотезой об исключительно вторичных позитронах. Таким образом, не только нет необходимости привлекать темную материю, но, по мнению этой группы ученых, не существует и позитронной загадки самой по себе. Их статья с расчетами и аргументацией была недавно принята к публикации в журнале Physical Review Letters.

Центральная идея этого объяснения заключается еще в одном предположении, которое авторам кажется достаточно надежным. Возьмем какой-нибудь другой сорт космических лучей, которые точно являются вторичными — это, например, ядра бора. В отличие от водорода и гелия, бора во Вселенной очень мало, поэтому борная составляющая космических лучей должна быть вторичной. Эту составляющую можно измерить, такие данные есть и у AMS-02. Это значит, что по ней можно сразу оценить интенсивность вторичных процессов, даже не зная никаких подробностей. А раз так, что можно отсюда оценить и количество произведенных на свет вторичных позитронов.

Полученные авторами оценки доли позитронов отличаются от общепринятых. Это и не удивительно: сравнивая друг с другом электроны и позитроны, авторы, по сути, используют для них совершенно разные данные. Этот подход резко упрощает вычисления, но тут всё равно есть сложности. Во-первых, он опирается на предположение, что темп производства вторичных позитронов и вторичных ядер бора пропорциональны друг другу, что, вообще-то, неочевидно. Во-вторых, нужно принимать во внимание, что дальше позитроны теряют энергию, а ядра почти нет, а это потребует детального вычисления. Однако авторы работы решили и здесь «срезать углы»: вместо того чтобы предсказывать реальную долю позитронов, они пренебрегли этим процессом и тем самым получили верхнюю границу для этой доли (рис. 4). Иными словами, они предъявили некоторую кривую и говорят, что реальные данные не могут идти выше этой кривой, но какое-то необычное поведение ниже нее в принципе не запрещено.

Позитронная доля в космических лучах

Рис. 4. Позитронная доля в космических лучах: сравнение экспериментальных данных (точки) и ограничения сверху (зеленая кривая), полученного в новом подходе. Пунктирная линия отвечает вычислениям этих же авторов в 2010 году. Изображение из обсуждаемой статьи

Данные AMS-02 действительно не противоречат этому ограничению. Измеренная доля хоть и растет, но пока что идет ниже полученного ограничения. Одновременно с этим, как подчеркивают авторы, все остальные вторичные космические лучи (например, антипротоны) остаются в норме. Кроме того, дополнительную поддержку для своего вывода авторы работы видят в том, что данные AMS-02 при самых высоких энергиях уже вроде как перестают расти (последние три точки на рис. 4). Впрочем, это, конечно, очень косвенные намеки.

Что же по этому поводу говорят другие астрофизики? Эти работы, включая новую, были кратко проанализированы в недавнем обзорном докладе; там утверждается, что использованные предположения не являются обоснованными, а также что предложенный механизм должен был бы привести к некоторым расхождениям с данными. Однако в последней версии своей статьи авторы отвечают и на эту критику, приводя дополнительные аргументы в пользу реалистичности предлагаемого ими объяснения. Тем не менее количество предположений и косвенности использования данных слегка настораживает. Кроме того, установление верхней границы — это всегда более слабый результат, чем предсказание непосредственно зависимости. Но хорошо, по крайней мере, что новый подход ведет к определенным предсказаниям как про сами космические лучи, так и про свойства межзвездной среды. Эти предсказания можно будет проверить экспериментально.

Итог

Новые оценки доли позитронов отличаются от общепринятых, потому что авторы новой работы используют совершенно разные данные для расчета электронов и позитронов. Такой подход упрощает работу, но одновременно содержит и новые подводные камни. Многие астрофизики с полученными выводами не согласны, но, к сожалению, прямо сейчас нет возможности надежно убедиться в (не)адекватности этого подхода. Ситуация пока остается подвешенной.

И новые, и общепринятые вычисления неизбежно опираются на предположения и косвенные оценки, — как и вообще почти всё в астрофизике. Спорить лишь о том, какие предположения лучше, не очень продуктивно; помочь тут могут только новые наблюдательные данные. Поэтому самый аккуратный ответ на вопрос, вынесенный в заголовок, будет на сегодняшний день таков: «по-видимому, да, однако окончательной ясности пока нет — новый подход должен выдержать проверку на адекватность».

Источник: K. Blum, B. Katz, E. Waxman. AMS-02 Results Support the Secondary Origin of Cosmic Ray Positrons // Phys. Rev. Lett. 2013. V. 111. P. 211101.

См. также:
1) I. V. Moskalenko. Cosmic Rays in the Milky Way and Beyond // е-принт arXiv:1308.5482 [astro-ph.GA].
2) Первые результаты эксперимента AMS-02 интересны, но сенсаций не принесли, «Элементы», 04.04.2013.

Игорь Иванов


18
Показать комментарии (18)
Свернуть комментарии (18)

  • Икарыч  | 20.11.2013 | 08:18 Ответить
    Каким образом пульсар производит позитроны?
    Ответить
    • PavelS > Икарыч | 20.11.2013 | 15:51 Ответить
      полагаю, это те же самые вторичные частицы, только возникшие очень близко к коллайдеру
      Ответить
      • Игорь Иванов > PavelS | 20.11.2013 | 20:44 Ответить
        Да, именно так. А поскольку эти позитроны тут же вовлекаются в процесс ускорения, то и их спектр становится похожим на спектр первичных электронов.
        Ответить
        • astrophysicist > Игорь Иванов | 21.11.2013 | 23:58 Ответить
          По-моему, не совсем так. Электроны и позитроны пульсар производит точно в равных количествах из-за развития электрон-позитронного каскада в магнитосфере пульсара. Причиной развития каскада является чудовищное вихревое электрическое поле, которое существует в магнитосфере. Электроны и позитроны в нем рождаются парами. Спектры электронов и позитронов получаются точно одинаковыми.
          Ответить
          • Игорь Иванов > astrophysicist | 22.11.2013 | 04:33 Ответить
            Я имел в виду, что в целом, если смотреть на спектр приходящих на землю e+ и e-, с учетом всех механизмов рождения, то они e+ начинает быть похожим на e-, если включить этот механизм первичного ускорения позитронов.
            Ответить
  • bul-kathos  | 20.11.2013 | 09:07 Ответить
    Спасибо, очень интересная статья получилась.
    Ответить
    • Игорь Иванов > bul-kathos | 20.11.2013 | 20:45 Ответить
      Пожалуйста. Особенно хорошо, если она понятна. :)
      Ответить
  • Henker  | 21.11.2013 | 01:24 Ответить
    Материал изложен очень хорошо и доступно. Большое спасибо!
    Ответить
  • astrophysicist  | 22.11.2013 | 00:12 Ответить
    Спасибо за статью, очень интересно. Почему-то я пропустил работу Boaz Katz, Kfir Blum, Jonathan Morag, Eli Waxman. Наверное я не скажу ничего нового, но их предположения кажутся, мягко говоря, противоестественными. Межзвездные магнитные поля существуют, они измеряются в экспериментах по Фарадеевскому вращению и др., позитроны движутся с ультрарелятивистскими скоростями и обязаны терять энергию на синхротронное излучение, оценки потерь очень просты. А есть, ведь, еще реликтовое излучение и т.д. - позитроны теряют энергию по обратному Комптону. Позитроны не могут не терять энергию при распространении - это абсолютно исключено.
    Ответить
    • Игорь Иванов > astrophysicist | 22.11.2013 | 04:30 Ответить
      > Позитроны не могут не терять энергию при распространении - это абсолютно исключено.

      Они не спорят с тем, что поле есть и энергия должна теряться. Они говорят, что при высоких энергиях позитроны скорее успеют выйти из диска прежде, чем потеряют существенную долю энергии на излучение в магнитном поле (т.е. t_escape < t_cooling). Кроме того, они еще утверждают, что если в плотность ЭМ излучения в межзвездной среде имеет высокую УФ компоненту, то спектр позитронов становится более жестким; почему это так должно быть, я уже не вчитывался. Почему то же самое не относится к электронами, мне непонятно.
      Ответить
      • PavelS > Игорь Иванов | 22.11.2013 | 17:58 Ответить
        А ведь на самом деле, правильная постановка вопроса меняет понимание проблемы. Вопрос не в том, откуда берутся позитроны, вопрос в том, почему количество позитронов на некоторых энергиях принципиально отличается от количества электронов.
        Ответить
        • nicolaus > PavelS | 23.11.2013 | 21:31 Ответить
          Турбулентное магнитное поле характерно только для областей вблизи плоскости диска галактики. В гало галактики поле имеет регулярную структуру и направлено со стороны галактического гало, где расположены верхние части «Пузырей Ферми» в сторону диска галактики. Вдоль магнитных линий этого поля могут двигаться позитроны. После вхождения позитронов сверху и снизу в диск галактики, их траектории становятся хаотическими за счет турбулентности поля галактических рукавов. Поэтому поток позитронов фиксируется со всех направлений.

          Электромагнитное поле в гало галактики имеет небольшую напряженность и является ровным на участках большой протяженности, поэтому потери позитронов на синхротронное излучение могут быть небольшими, при этом позитроны не потеряют энергию при движении из центральных областей галактики в сторону Солнечной системы.

          На мой взгляд, укорителем позитронов является электрическая компонента электромагнитного поля в центре нашей галактики, в областях «пузырей Ферми». Изначально это поле может генерироваться струйным выбросом черной дыры, например, за счет поглощения дырой звезды. В дальнейшем магнитное поле постепенно убывает, поддерживая электрический ток из заряженных частиц. Компонента электрического тока из положительно заряженных частиц – протонов и позитронов, направлена как раз в сторону плоскости галактического диска, снизу и сверху. Поэтому, на Земле должен наблюдаться избыток высокоэнергичных частиц – позитронов и протонов. Что касается электронов, то электрический ток из электронов направлен вдоль галактических рукавов и за счет рассеяния энергия электронов может быть погашена.

          У меня есть два сообщения блога на близкую тему: «Особенности формирования струйных выбросов активных галактических ядер и черных дыр. Часть 2» [ http://www.popmech.ru/blogs/post/5087-osobennosti-formirovaniya-struynyih-vyibrosov-aktivnyih-galakticheskih-yader-i-chernyih-dyir-ch/ ] и «Пузыри Ферми» [http://www.popmech.ru/blogs/post/5102-puzyiri-fermi/ ]

          Там есть иллюстрации магнитного поля галактики и описан принцип работы «галактического» ускорителя заряженных частиц.

          Высказанную гипотезу несложно проверить. Спектр позитронов должен иметь вид плавной кривой с максимумом и дальнейшим плавным спадом. Спектр электронов эту кривую не должен повторять, поскольку их скорость гасится в галактических рукавах.
          Ответить
    • akb > astrophysicist | 24.11.2013 | 03:07 Ответить
      А, если позитроны ускоряются под действием (гипотетического) малого всемирного инерциального ускорения, тогда они могут терять на излучение, грубо говоря, сколько угодно энергии, потому что она все равно компенсируется, особенно при малоускоренном движении в межгалактическом пространстве. Не так ли?
      Всемирное ускорение, согласно Гипотезе, имеет гравитационную природу, в основе которой лежит механизм фундаментального взаимодействия элементарных частиц (ЭЧ), при котором одинаково заряженные ЭЧ взаимно притягиваются своими лицевыми (т.е. повернутыми друг к другу) поверхностями. Соответственно, тяжелые протоны в атомах будут гравитационно притягивать именно позитроны (в то время, как, электроны они, согласно Гипотезе, притягивают лишь электростатически), чем может объясняться рост доли позитронов с увеличением энергии космических лучей. Т.е. электроны в атомах будут гравитационно притягивать(и разгонять) свободные электроны космических лучей с гораздо меньшей силой, чем протоны в атомах будут гравитационно притягивать(и разгонять) свободные позитроны космических лучей, а чем выше энергия космических лучей, тем дольше и первые, и вторые разгонялись всемирным ускорением.
      Хотелось бы узнать мнение astrophysicist-a на этот счет.
      Ответить
      • nicolaus > akb | 24.11.2013 | 09:37 Ответить
        Akb: «А, если позитроны ускоряются под действием (гипотетического) малого всемирного инерциального ускорения, тогда они могут терять на излучение, грубо говоря, сколько угодно энергии, потому что она все равно компенсируется, особенно при малоускоренном движении в межгалактическом пространстве. Не так ли?»

        Не надо придумывать гипотетические поля. Есть гравитационное поле, которое имеет две компоненты – гравиэлектрическую (закон всемирного тяготения) и гравимагнитную (которая проявляется,например, в виде увлечения пространства вращающимися объектами.) Кажущееся нарушение закона всемирного тяготения может быть объяснено присутствием гравимагнитной компоненты. При этом зараженные частицы не будут терять энергию при изменении траектории под действием гравимагнитной компоненты.

        В комментарии от 10.11.2013 20:03 http://elementy.ru/news?discuss=432125 я писал, что, предположительно, темная материя может быть объяснена за счет гравимагнитной компоненты, в результате отражения гравитационного поля от «зеркала». При отражении возможно усиление гравимагнитной компоненты гравитационного поля. Это связано тем, что, предположительно, в рамках нашей браны, вдоль браны присутствует в основном гравиэлектрическая компонента гравитационного поля. Гравимагнитная компонента может быть направлена перпендикулярно 3-м координатам нашей трехмерной браны и может являться основной при взаимодействии с «зеркалом». При этом, за счет эффектов запаздывания в «зеркале», например для вращающихся объектов большой протяженности, в проекции на нашу брану отраженного гравитационного поля может проявится гравимагнитная компонента (отраженная от «зеркала» гравимагнитная компонента в этом случае не обязательно будет ортогональна нашей бране). Поэтому в нашем мире могут проявиться эффекты «малого всемирного инерциального ускорения», как Вы написали. Гравимагнитная компонента также может оказывать влияние на линзирование света.

        Хотя, я думаю, что избыток энергии позитронов объясняется гораздо проще. Гипотезу я привел в посте от 23.11.2013 21:31.

        Мнение astrophysicist-a (как специалиста в этой области) для меня также интересно.
        Ответить
        • akb > nicolaus | 25.11.2013 | 00:01 Ответить
          24.11.2013 09:37 | nicolaus
          "Не надо придумывать гипотетические поля"
          ------------------------------------
          Я не придумываю никаких новых полей.
          Ответить
          • Игорь Иванов > akb | 25.11.2013 | 00:43 Ответить
            Обращаю внимание akb, что комментарии к новостям не следует использовать для рекламы своих собственных псевдонаучных теорий. Такие комментарии будут удаляться. См. пояснения по поводу правил модерации в комментариях к моим новостям: http://igorivanov.blogspot.com/p/elementy-comments.html
            Ответить
  • zolotnik  | 22.11.2013 | 01:27 Ответить
    Наверное, проверить основное предположение о пропорциональности распределения по энергиям можно на основе наблюдений за другими вторичными лучами. Или борная составляющая их единственный доступный представитель, не считая позитронов?
    Ответить
  • iziekile  | 23.11.2013 | 13:00 Ответить
    опять тут люстру чижевского обсуждают?
    Ответить
Написать комментарий

Другие новости


Элементы

© 2005-2017 «Элементы»