Mappa all-sky del modello "halo + disk" più adatto per l'emissione della linea di raggi gamma a 511 keV. Credito d'immagine: INTEGRALE. Clicca per ingrandire.
Il positrone, la controparte anti-materia dell'elettrone, era stato predetto dall'equazione delle onde quantiche di Paul Dirac - all'epoca rivoluzionaria - per l'elettrone. Qualche anno dopo, nel 1932, Carl Anderson scoprì il positrone nei raggi cosmici e Dirac ottenne il premio Nobel nel 1933 e Anderson nel 1936.
Quando un positrone incontra un elettrone, si annichilano, producendo due raggi gamma. A volte, tuttavia, l'annientamento è preceduto dalla formazione di positronium, che è come un atomo di idrogeno con il protone sostituito da un positrone (il positronium ha il suo simbolo, Ps). Il positronio si presenta in due forme, è instabile e decade in due gamme (entro circa 0,1 nanosecondi) o tre (entro circa 100 nanosecondi).
Gli astronomi sanno dagli anni '70 che ci devono essere molti positroni nell'universo. Perché? Perché quando un positrone e un elettrone si annichilano per dare due gamme, entrambi hanno la stessa lunghezza d'onda, circa 0,024 Å o 0,0024 nm (gli astronomi, come i fisici delle particelle, non parlano delle lunghezze d'onda dei raggi gamma, parlano della loro energia; 511 keV in questo caso). Quindi, se guardi il cielo con la visione a raggi gamma, ovviamente dall'alto l'atmosfera! - sai che c'erano molti positroni perché puoi vedere un sacco di gamme di un unico 'colore', 511 keV (è simile alla conclusione che c'è un sacco di idrogeno nell'universo notando un sacco di rosso (1,9 eV) H alfa nella cielo notturno).
Dallo spettro del decadimento a tre gamme del positronio, rispetto all'intensità della linea di 511 keV, quattro anni fa gli astronomi hanno scoperto che circa il 93% dei positroni il cui annientamento vediamo il positronio prima che decadano.
Quanto positronium? Nel rigonfiamento della Via Lattea, ogni secondo vengono annientate circa 15 miliardi (migliaia di milioni) di positroni. Quella è la stessa massa degli elettroni in decine di trilioni di tonnellate di materiale a cui siamo abituati, come rocce o acqua; circa quanto in un asteroide di medie dimensioni, largo 40 km.
Analizzando i dati INTEGRAL rilasciati pubblicamente (vale circa un anno), J? Rgen Kn? Dlseder e i suoi colleghi hanno scoperto che:
- i positroni che vengono annichiliti nel disco della Via Lattea molto probabilmente provengono dal decadimento beta + (cioè positrone) degli isotopi Alluminio-26 e Titanio-44, che essi stessi furono prodotti nelle recenti supernove (ricordate, gli astronomi chiamano anche 10 milioni di anni fa 'recente')
- tuttavia, ci sono più positroni che vengono annichiliti nel rigonfiamento della Via Lattea che nel disco, di un fattore cinque
- non sembrano esserci fonti di "punti".
Certo, per uno scienziato INTEGRAL, una fonte di "punto" non ha lo stesso significato di un astronomo dilettante! La visione dei raggi gamma nella linea del positronio è incredibilmente sfocata, un oggetto lungo sei Lune (3?) Sembrerebbe un "punto"! Ciononostante, Kn? Dlseder e il suo team di esperti di astrofisica sono in grado di dire che "nessuna delle fonti che abbiamo cercato ha mostrato un flusso significativo di 511 keV"; questi 40 "soliti sospetti" includono pulsar, quasar, buchi neri, resti di supernovae, regioni che formano le stelle, ricchi ammassi di galassie, galassie satellitari e blasoni. Ma stanno ancora cercando: “Abbiamo effettivamente [pianificato,] osservazioni INTEGRALI dedicate dei soliti sospetti, come le supernovae di tipo Ia (SN1006, Tycho) e LMXB (Cen X-4) che potrebbero aiutare a risolvere questo problema “.
Quindi, da dove provengono i 15 miliardi di tonnellate di positroni che vengono annichiliti ogni secondo nel rigonfiamento? "Per me la cosa più importante sull'annientamento del positrone è che la fonte principale è ancora un mistero", afferma Kn? Dlseder. “Siamo in grado di spiegare le deboli emissioni dal disco con il decadimento dell'alluminio-26, ma la maggior parte dei positroni si trova nella regione del rigonfiamento della Galassia e non abbiamo alcuna fonte che possa facilmente spiegare tutte le caratteristiche osservative. In particolare, se si confronta il cielo a 511 keV con il cielo osservato ad altre lunghezze d'onda, si riconosce che il cielo a 511 keV è unico! Non c'è altro cielo che assomigli a ciò che osserviamo. "
Il team INTEGRAL ritiene di poter escludere enormi stelle, collassi, pulsar o interazioni di raggi cosmici, poiché se questi fossero la fonte dei positroni di rigonfiamento, il disco sarebbe molto più luminoso alla luce di 511 keV.
I positroni di rigonfiamento possono provenire da binari a raggi X a bassa massa, novae classiche o supernove di tipo 1a, attraverso una varietà di processi. La sfida in ogni caso è capire come positroni sufficienti creati da questi possano sopravvivere abbastanza a lungo dopo e diffondersi abbastanza lontano dai loro luoghi di nascita.
Che dire delle stringhe cosmiche? Mentre il recente documento di Tanmay Vachaspati che proponeva questi come una possibile fonte di rigonfiamento, i positroni sono usciti troppo recentemente per Kn? Dlseder et al. da considerare per il loro articolo: “Eppure per me non è ovvio che abbiamo abbastanza vincoli osservativi per affermare che le stringhe cosmiche producono il 511 keV; non sappiamo nemmeno se esistono stringhe cosmiche. Uno avrebbe bisogno di una caratteristica unica delle stringhe cosmiche che escluda tutte le altre fonti, e oggi penso che siamo lontani da questo. "
Forse più eccitante, i positroni possono venire dall'annientamento di una particella di materia oscura a bassa massa e dalla sua anti-particella, o come Kn? Dlseder et al. per dirla “Annichilazione della materia oscura chiara (1-100 MeV), come suggerito recentemente da Boehm et al. (2004), è probabilmente la fonte candidata più esotica ma anche più eccitante dei positroni galattici. " La materia oscura è persino più esotica del positronium; la materia oscura non è antimateria e nessuno è stato in grado di catturarla, e tanto meno studiarla in un laboratorio. Gli astronomi accettano che sia onnipresente e rintracciarne la natura è uno degli argomenti più importanti sia in astrofisica che in fisica delle particelle. Se i miliardi di tonnellate al secondo di positroni che vengono annichiliti nel rigonfiamento della Via Lattea non possono provenire da novae classiche o supernovae termonucleari, allora forse è colpa della buona vecchia materia oscura.
