волков роль протонов

Все факты свидетельствуют о том, что производство позитронов не связано с самым

Кроме того, измеряя энергию аннигиляционной линии и её ширину, мы можем сказать, что позитроны погибают в среде, которая как целое движется относительно Земли со скоростью, не превышающей 40–50 км/с. Действительно, измеренная энергия центра линии совпадает с энергией покоя электрона/позитрона с очень высокой точностью: E/mc2 = 0,99991a0,00015. При общей скорости движения среды относительно нас более 50 км/с эффект Доплера вызвал бы более значительное расхождение. Аналогично, наблюдаемая ширина линии показывает, что разброс внутренних скоростей в среде не превышает 800 км/с.

Рис. 3.  Позитрон и электрон вместе могут образовать подобие атома водорода, где роль протона выполняет позитрон. Такой „атом“ называют позитронием. Просуществовав ничтожную долю секунды, позитроний аннигилирует с образованием двух или трёх фотонов, в зависимости от того, как были сориентированы спины частиц в позитронии. При гибели пара-позитрония (слева) образуются два фотона с энергией 511 кэВ. А для орто-позитрония законы сохранения углового момента запрещают его распад на два кванта, и он распадается с образованием трёх фотонов. Телескоп SPI видит излучение каждого вида позитрония.Одним из этапов на пути понимания природы позитронов в Галактике стало исследование параметров среды, в которой происходит аннигиляция позитронов. Практически все процессы рождения позитронов приводят к образованию „горячих“ позитронов, т. е. частиц, чья кинетическая энергия сравнима или превышает их массу покоя. При этом вероятность аннигиляции достаточно мала, и позитроны, как правило, успевают потерять значительную часть своей энергии до того, как произойдёт аннигиляция. Время между рождением и аннигиляцией может составлять от десятков тысяч до миллионов лет, в течение которых позитрон дрейфует от места своего рождения до места исчезновения. Если вещество вокруг позитрона достаточно холодное, то до аннигиляции позитрон захватывает электрон и образует так называемый „позитроний“ (аналог атома водорода), в котором роль положительно заряженного ядра (протона в случае атома водорода) выполняет позитрон. Просуществовав недолгое время, позитроний, наконец, аннигилирует, испуская жёсткие гамма-лучи. Различают два типа позитрония — пара-позитроний и орто-позитроний, отличающихся взаимной ориентацией спинов электрона и позитрона. Пара-позитроний порождает два фотона с энергией 511 кэВ, тогда как орто-позитроний аннигилирует с образованием трёх фотонов различных энергий. В результате для наблюдателя с Земли спектр аннигиляционного излучения распадается на две компоненты. Первая — узкая линия с энергией 511 кэВ, а вторая — непрерывный спектр на более низких энергиях, связанный с аннигиляцией орто-позитрония (рис. 2 и 3). Альтернативой аннигиляции через образование позитрония служит прямая аннигиляция, когда электрон и позитрон погибают „на лету“, порождая два фотона. Оказывается, что доля прямых аннигиляций и ширина возникающей линии 511 кэВ чувствительны к температуре среды и степени её ионизации. Спектрометр SPI выполнил рекордные по точности измерения спектра аннигиляционного излучения. Выяснилось, что данные наблюдений лучше всего совместимы с аннигиляцией позитронов в „тёплой“ фазе межзвёздной среды с характерной температурой порядка 8 тыс. K и степенью ионизации среды порядка 10%. Среда с такими параметрами действительно часто встречается в Галактике, и на неё приходится значительная доля массы газа. А вот в самой горячей фазе межзвёздной среды, имеющей температуру порядка миллиона градусов и заполняющей значительный объём, аннигиляция почти не происходит — доля позитронов, погибающих в этой фазе, не превосходит 10%.

Самый естественный механизм — рождение позитронов при ядерных превращениях вещества, например, при распаде радиоактивных изотопов 26Аl или 56Со, возникающих во время вспышек сверхновых или новых звёзд. Никто не сомневается, что такой процесс действительно происходит в Галактике, но неизвестно, обеспечивает ли он доминирующий вклад в наблюдаемое аннигиляционное излучение. Например, важным поставщиком изотопа 26Аl являются вспышки сверхновых второго типа (конечной стадии эволюции массивных звёзд), которые „живут“ главным образом в диске нашей Галактики. Можно было бы предположить, что диск Галактики и должен быть особенно ярок в аннигиляционном излучении. Однако карты, полученные обсерваторией, скорее говорят о том, что наиболее мощным источником позитронов служит не диск Галактики, а её центральная область, где мало массивных звёзд (рис. 2). С этой точки зрения предпочтительна гипотеза, согласно которой позитроны порождаются термоядерными взрывами гораздо менее массивных и более старых звёзд. Были и более смелые предположения, например, что позитроны рождаются при взаимодействии космических лучей с нейтральным или молекулярным газом, либо в ближайшей окрестности чёрных дыр или нейтронных звёзд. Но самой экзотической стала гипотеза, согласно которой позитроны рождаются при аннигиляции частиц тёмной материи, чья плотность должна быть максимальна в центральной зоне Галактики. Концепция „тёмной“ материи возникла в астрофизике достаточно давно — измерения масс галактик и их скоплений неизменно приводили к значениям, значительно превышающим массу звёзд и газа, видимых с помощью телескопов. Современная астрофизика постулирует наличие слабовзаимодействующих частиц (тёмной материи): вещества, которое имеет массу, но которое нельзя (или сложно) увидеть. Хотя природа тёмной материи пока понята недостаточно, теория допускает, что она может порождать и позитроны. Вышесказанное предполагает пересмотр многих общепринятых взглядов в современной физике, но именно поэтому гипотеза и интересна.

Рис. 2.  Карта неба в аннигиляционном излучении электрон-позитронных пар. Яркое пятно в центре означает, что в центральной области нашей Галактики каждую секунду аннигилирует более 10 43 позитронов (вверху).Спектр аннигиляционного излучения центральной зоны Галактики. Красная кривая показывает вклад пара-позитрония, синяя — орто-позитрония (внизу).

Один из основных телескопов обсерватории „Интеграл“, спектрометр SPI на основе кристаллов германия высокой чистоты, способен регистрировать эмиссионные линии на энергиях сотен и тысяч кэВ. Эти линии — прямые источники информации о ядерных превращениях вещества в Галактике. Ярчайшей из них в гамма-диапазоне является линия аннигиляции электронов и их античастиц, позитронов, на энергии 511 кэВ. Позитроны (анти-электроны) рождаются и на Земле, и в космосе. Столкновение позитрона с обычным электроном может привести к аннигиляции — исчезновению этих двух частиц и рождению вместо них двух или трёх гамма-квантов. Когда при аннигиляции позитрона и электрона рождаются два фотона, то каждый из них уносит энергию, равную массе покоя электрона или позитрона, — 511 кэВ. Особенно сильное излучение в этой линии идёт из центральной зоны нашей Галактики (рис. 2), где каждую секунду рождаются и исчезают более 1043 позитронов. Несмотря на то, что впервые линию 511 кэВ обнаружили в излучении центральной зоны Галактики более 30 лет назад, однозначного ответа о природе аннигиляционного излучения до сих пор нет, т. к. производство позитронов могут обеспечить сразу несколько конкурирующих физических механизмов.

Рождение и гибель позитронов

Диапазон энергий, в котором работают основные приборы обсерватории, простирается от нескольких кэВ до нескольких МэВ. Фотоны с такой энергией могут легко проникать сквозь толщи пыли и газа, скрывающие от нас многие уникальные объекты нашей Галактики, например, её центральную зону. В оптическом диапазоне излучение из этой области до нас не доходит, т. к. пыль ослабляет оптический поток в 1020 раз, а излучение в жёстком рентгеновском и мягком гамма-диапазонах практически не чувствительно к ней. В то же время из-за высокой проникающей способности жёсткого рентгеновского излучения почти невозможно изготовить зеркало, способное сфокусировать такое излучение, т. к. оно не отражается от зеркала, а проникает в него. Альтернативой зеркалам в жёстких рентгеновских лучах служат „кодирующие“ (теневые) маски. Над детектором рентгеновских лучей устанавливают пластину из вольфрама (маску) толщиной в несколько сантиметров, в которой прорезано большое число отверстий. Рентгеновское излучение проходит через эти отверстия, и на поверхности детектора возникает картина ярких пятен, расположение которых зависит от координат источника излучения. Другими словами можно сказать, что маска отбрасывает „тень“ на детектор. Дальнейший компьютерный анализ тени позволяет восстанавливать изображение неба (рис. 1). Метод кодированных масок хорошо знаком астрофизикам в России. Он также использовался в двух других российских орбитальных обсерваториях — „Рентген“ (на модуле „Квант“ станции „Мир“) и „Гранат“.

Рис. 1.  Карта всего неба в диапазоне энергий 20–50 кэВ, полученная обсерваторией „Интеграл“. Яркие точки — самые мощные источники рентгеновского излучения в Галактике. Карта построена в галактических координатах так, что центр Галактики соответствует середине карты. Чёрные пятна неправильной формы — области неба, ещё не наблюдавшиеся обсерваторией. Совокупность ярких источников, образующих полосу вдоль плоскости Галактики, — это знакомый нам Млечный путь, но в жёстких рентгеновских лучах.Жёсткие рентгеновский и гамма-диапазоны, соответствующие характерным энергиям фотонов от 10 –8 эрг до 10 –5 эрг, занимают особое место. Прежде всего, это связано с природой астрономических источников, способных производить излучение со столь высокими энергиями. Среди них такие компактные и массивные объекты, как чёрные дыры, нейтронные звёзды и белые карлики. Например, типичная нейтронная звезда в нашей Галактике при массе на 40% большей, чем масса Солнца, имеет размер порядка 10 км. Вещество, падающее на подобную звезду, может разогреться до колоссальных температур, достаточных, чтобы возникло рентгеновское излучение. Кроме того, многие ядерные превращения вещества происходят с излучением квантов, имеющих определённые энергии, попадающие в диапазон от нескольких сотен кэВ до нескольких МэВ. Например, превращение радиоактивного изотопа кобальта 56Со, возникающего при взрывах сверхновых, в привычное нам железо (56Fe) сопровождается излучением линий с энергией 847 кэВ и 1,23 МэВ. Увидеть подобные линии означает лучше понять процесс возникновения многих химических элементов в недрах звёзд. Именно такие задачи и стоят перед обсерваторией „Интеграл“ (INTEGRAL, International Gamma-Ray Astrophysics Laboratory), являющейся совместным проектом Европейского космического агентства, федерального космического агентства РФ и Национального управления США по аэронавтике и исследованию космического пространства. Спутник был выведен на орбиту российской ракетой-носителем „Протон“ 17 октября 2002 г., с тех пор успешно работает и каждые день передаёт на Землю новую информацию. Российские учёные имеют приоритетные права на использование четверти всего наблюдательного времени обсерватории.

Тысячелетия человеческой истории были и тысячелетиями развития оптической астрономии. И только в последние 50 лет мы смогли увидеть Вселенную в широчайшем диапазоне длин волн — от радио-, инфракрасного и ультрафиолетового до рентгеновского и гамма-диапазонов. Длина волны радиоизлучения может составлять несколько метров, тогда как для самого коротковолнового излучения, исследуемого современными телескопами, она не превышает 10 –17 см. Характерная энергия фотонов при этом меняется почти на 20 порядков величины. И в каждом из этих диапазонов энергий картина Вселенной оказывается столь же насыщенной и интересной, как и в оптическом.

Сергей Гребенев, Роман Кривонос, Александр Лутовинов,Михаил Ревнивцев, Рашид Сюняев и Евгений ЧуразовВзгляд на Галактикусквозь толщу пыли и газа