Гамма-гало пульсаров прояснило природу избытка антиматерии

Космический телескоп Fermi обнаружил протяженные источники высокоэнергетического излучения вокруг близких пульсаров Геминга и Моногем. Свойства этих гало свидетельствуют о причастности массивных частиц, таких как электроны и их античастицы позитроны, к появлению фотонов гамма-диапазона. Проведенный анализ демонстрирует, что эти объекты отвечают за существенную часть регистрируемого на Земле потока позитронов, а суммарный вклад всех пульсаров может быть ответственным за пока не получивший окончательного объяснения избыток этих частиц, пишут авторы в журнале Physical Review D. 

Пульсары — это нейтронные звезды, излучение горячих пятен на поверхности которых периодически попадает на Землю, из-за чего поток от них испытывает регулярные колебания (пульсации). Как и все нейтронные звезды, такие тела характеризуются экстремальными плотностями и магнитными полями, в результате чего они оказываются источниками электромагнитного излучения в широком диапазоне длин волн, а также существенных потоков заряженных частиц разных энергий, которые могут наблюдаться на Земле в виде космических лучей.

В течение последних лет несколько детекторов космических лучей, такие как AMS на борту Международной космической станции и PAMELA на спутнике «Ресурс-ДК1», зафиксировали избыток позитронов высоких энергий (выше пары десятков гигаэлектронвольт), то есть превышение их количества относительно теоретических ожиданий. Астрофизики сразу выдвинули гипотезы, что это может быть связано с влиянием близких пульсаров, но убедительных доказательств не было. Также в качестве причин рассматривались остатки сверхновых и аннигиляция частиц темной материи.

Очередное указание на причастность пульсаров было получено наземными детекторами космических лучей Milagro и HAWC. Эти установки регистрируют электромагнитные волны гамма-диапазона, которые могут появляться в окрестностях пульсаров благодаря обратному комптоновскому рассеянию фоновых фотонов (реликтового и инфракрасного излучения, а также света звезд) на высокоэнергетических электронах и позитронах, разгоняемых полями нейтронной звезды. Тем не менее, участники коллаборации HAWC пришли к выводу, что вклад пульсаров в излучение в данном диапазоне мал, хотя работа опиралась на ряд допущений.

Астрофизики из Италии и США при участии Маттиа Ди Мауро (Mattia Di Mauro) из Центра космических полетов Годдарда NASA обработали весь собраный телескопом Fermi массив данных по гамма-излучению близких пульсаров Геминга и Моногем (B0656 + 14) и смогли выделить слабые протяженные гало вокруг объектов. Данная работа трудна, так как эти источники, хоть и расположены относительно близко от Земли, лежат в плоскости Галактики, из-за чего помимо них фиксируется большое количество шумов. В связи с этим авторы использовали десять различных моделей межзвездного излучения, но во всех случаях смогли уверенно выделить гало пульсаров.

Найденные гало по форме слегка вытянуты, а их размер весьма велик и достигает около 20 градусов на небе, что во много раз больше видимого диаметра Луны и сравнимо с размером ковша Большой Медведицы — основного астеризма созвездия. По словам авторов, столь большой размер связан с тем, что электроны и позитроны не самых больших энергий успевают отлететь на значительные расстояния от пульсаров, прежде чем испытывают рассеяние на окружающих фотонах.

Одной из ключевых особенностей проведенного анализа стал учет собственного движения пульсаров. В частности, Геминга движется в плоскости неба со скоростью 178 микросекунд дуги в год, что соответствует линейной скорости в 211 километров в секунду, а лучевая скорость при этом пренебрежимо мала. В результате на масштабе миллионов лет, за которые испущенные электроны и позитроны потратят энергию на рождение гамма-квантов, источник успевает преодолеть расстояние в десятки парсек, что оказывает значительно влияние на форму наблюдаемого гало.

Дополнительно к этому авторы построили двухкомпонентную модель движения частиц, которая учитывала разные условия среды в плерионе (непосредственно окружающей пульсар туманности) и более отдаленном межзвездном пространстве. Такая модель лишена ряда недостатков предыдущего анализа ученых из HAWC, но при этом также хорошо согласуется с полученными ими данными.

В результате на основе яркости гало в гамма-диапазоне астрофизики смогли оценить количество испускаемых пульсарами электронов и позитронов. Оказалось, что на один лишь пульсар Геминга может приходиться до 20 процентов регистрируемого избытка позитронов при конвертации одного процента энергии заряженных частиц в гамма-лучи. Обобщение с учетом известной концентрации пульсаров в данной части Млечного Пути показывает, что они остаются самым вероятным объяснением избытка позитронов и могут быть ответственны за весь обсуждаемый эффект.

Ранее детектор AMS разделил высоко- и низкоэнергетический вклад в поток космических позитронов, а также впервые позволил разглядеть горячие пятна на поверхности пульсара. Об антиматерии мы делали подробный материал «С точностью до наоборот».

Тимур Кешелава