Έρευνα στο διάστημα για το ποζιτρόνιουμ

Πηγή: Universe Today, 8 Ιουνίου 2005

Οι βίαιες εκρήξεις ακτίνων γάμμα όπως και οι πηγές ακτινοβολίας γάμμα στον ουρανό είναι σπάνιες, αλλά ξέρουμε ότι οι ακτίνες γάμμα πάνω στη γη παράγονται και από την εξαΰλωση της ύλης, όταν αυτή συναντά την αντιύλη. Όμως αυτό πιστεύουμε ότι γίνεται και στο διάστημα. Ένα διαστημικό τηλεσκόπιο  - της Ευρωπαϊκής Διαστημικής Υπηρεσίας - ειδικό για την παρατήρηση ακτίνων γάμμα, το INTEGRAL, μας έχει προσφέρει πολύ καλές εικόνες αυτής της εξωτικής ενέργειας.

Μια συνολική εικόνα του ουρανού που ταιριάζει με το μοντέλο του κεντρικού δίσκου του Γαλαξία (άλως) με την γραμμή της εκπομπής ακτίνων γάμμα, των 511 keV.

Το ποζιτρόνιο, το αντισωματίδιο του ηλεκτρονίου, προβλέφθηκε - σε μια επαναστατική εποχή - από την κβαντική κυματική εξίσωση του ηλεκτρονίου του Paul Dirac. Μερικά χρόνια αργότερα, το 1932, ο Carl Anderson ανακάλυψε το ποζιτρόνιο στις κοσμικές ακτίνες και ενώ ο Dirac πήρε το βραβείο Νόμπελ το 1933,  ο Anderson το πήρε το 1936.

Όταν ένα ποζιτρόνιο συναντά ένα ηλεκτρόνιο τότε γίνεται εξαΰλωση παράγοντας δύο ακτίνες γάμμα.  Εντούτοις, μερικές φορές, η εξαΰλωση ακολουθεί του σχηματισμού του ατόμου ποζιτρόνιουμ (positronium), που είναι σαν το άτομο του υδρογόνου αλλά με το πρωτόνιο να αντικαθίσταται από ένα ποζιτρόνιο (το ποζιτρόνιουμ έχει σαν σύμβολό το Ps).

Το ποζιτρόνιουμ συναντάται σε δύο μορφές, είναι ασταθές, και διασπάται είτε σε δύο φωτόνια γάμμα (περίπου μέσα σε 0,1 νανοδευτερόλεπτα), είτε σε τρία (περίπου μέσα σε 100 νανοδευτερόλεπτα).

Οι αστρονόμοι ξέρουν από τη δεκαετία του '70 ότι πρέπει να υπάρχουν πολλά ποζιτρόνια στο σύμπαν. Γιατί; Επειδή όταν ένα ποζιτρόνιο και ένα ηλεκτρόνιο εξαϋλώνονται για να δώσουν δύο φωτόνια γάμμα, και τα δύο έχουν το ίδιο μήκος κύματος, περίπου 0.024 Å, ή 0.0024 nm. Οι αστρονόμοι, όπως και οι φυσικοί των σωματιδίων, δεν αναφέρονται σε μήκη κύματος των ακτίνων γάμμα, αλλά μιλούν για την ενέργειά τους, 511 keV για αυτήν την περίπτωση. Έτσι, εάν εξετάσουμε τον ουρανό με ανιχνευτές ακτίνων γάμμα - πάνω από την ατμόσφαιρα φυσικά! - ξέρουμε ότι υπάρχε αφθονία ποζιτρονίων επειδή η ενέργεια των ακτίνων γάμμα ήταν 511 keV.

Πριν τέσσερα χρόνια αστρονόμοι σύγκριναν τις γραμμές του φάσματος των τριών ακτίνων γάμμα - που προήλθαν από τη διάσπαση του ποζιτρόνιουμ - με την ένταση της γραμμής των 511 keV και βρήκαν ότι περίπου το 93% των ποζιτρονίων που εξαϋλώνονται, σχημάτιζαν πριν το παράξενο άτομο ποζιτρόνιουμ.

Πόσα είναι τα ποζιτρόνιουμ; Στη κεντρική διόγκωση του Γαλαξία, περίπου 15 δισεκατομμύρια τόνοι ποζιτρονίων εξαϋλώνονται κάθε δευτερόλεπτο. Μπορεί να μας φαίνεται μεγάλη η ποσότητα τους αλλά είναι πολύ μικρή αν συγκριθεί με τη συνηθισμένη μάζα του Γαλαξία.

Αναλύοντας τα στοιχεία του INTEGRAL, ενός έτους περίπου, ειδικοί διαπίστωσαν ότι:

• τα ποζιτρόνια που εξαϋλώνονται στο δίσκο του Γαλαξία προέρχονται πιθανότατα από τη βήτα+ διάσπαση (δηλ. από ποζιτρόνιο) των ισοτόπων Αργιλίου-26 και Τιτανίου-44, τα οποία παρήχθησαν σε πρόσφατες εκρήξεις σουπερνοβών (πρόσφατα σημαίνει ακόμα και 10 εκατομμύρια έτη πριν).

• εντούτοις, υπάρχουν περισσότερα ποζιτρόνια που εξαϋλώνονται στη κεντρική διόγκωση του Γαλαξία απ' ό,τι στο δίσκο, κατά έναν παράγοντα πέντε.

• δεν φαίνονται να υπάρχουν οποιεσδήποτε σημειακές πηγές.

Η επιστημονική ομάδα των αστροφυσικών ψάχνοντας για την πηγή αυτών των ποζιτρονίων αναφέρει ότι "καμία από τις πηγές που ψάξαμε δεν παρουσίασε σημαντική ροή στην ενέργεια 511 keV". Αυτοί οι 40 'συνήθεις ύποπτοι' περιλαμβάνουν πηγές σαν τα πάλζαρς, κβάζαρ, μαύρες τρύπες, κατάλοιπα σουπερνοβών, περιοχές σχηματισμού άστρων, πλούσια σμήνη γαλαξιών και δορυφορικούς γαλαξίες. Στο μέλλον σχεδιάζουν να κάνουν κι άλλες παρατηρήσεις των συνηθισμένων υπόπτων, όπως τις σουπερνόβες τύπου Ia (SN1006, Tycho), και LMXB (CEN Χ-4) που μπορεί να βοηθήσουν να λυθεί το πρόβλημα της καταγωγής των ποζιτρονίων.

Αναρωτιόνται λοιπόν από πού να προέρχονται οι 15 δισεκατομμύρια τόνοι των ποζιτρονίων που εξαϋλώνονται κάθε δευτερόλεπτο στη διόγκωση;

"Για μένα το σημαντικότερο πράγμα στην εξαΰλωση των ποζιτρονίων είναι ότι η κύρια πηγή είναι ακόμα ένα μυστήριο", λέει ο επικεφαλής της έρευνας Jögen Kädlseder. "Μπορούμε να εξηγήσουμε την εξασθενημένη εκπομπή από το δίσκο με τη διάσπαση του Αργιλίου-26, αλλά ο κύριος όγκος των ποζιτρονίων είναι τοποθετημένος στην κεντρική περιοχή διόγκωσης του Γαλαξία, και δεν έχουμε εκεί καμία πηγή που να μπορεί εύκολα να εξηγήσει όλα τα παρατηρητικά χαρακτηριστικά. Ειδικότερα, εάν συγκρίνετε τον ουρανό σε ενέργειες 511 keV με τον ουρανό που παρατηρείται σε άλλα μήκη κύματος αναγνωρίζετε ότι ο ουρανός 511 keV είναι μοναδικός! Δεν υπάρχει κανένας άλλος ουρανός που να μοιάζει με αυτό που παρατηρούμε".

Η ομάδα του INTEGRAL αισθάνεται ότι μπορούν να αποκλείσουν τα ογκώδη αστέρια, τα πάλσαρ, ή τις αλληλεπιδράσεις κοσμικών ακτίνων, γιατί εάν αυτά τα αντικείμενα ήταν η πηγή των ποζιτρονίων στη διόγκωση, τότε ο δίσκος θα ήταν πολύ φωτεινότερoς στην ακτινοβολία των 511 keV.

Τα ποζιτρόνια της κεντρικής διόγκωσης του Γαλαξία θα μπορούσαν να προέρχονται ή από τα δυαδικά συστήματα ακτίνων X χαμηλής μάζας, ή από κλασσικές νόβες, ή από σουπερνόβες τύπου 1a, μέσω ποικίλων διαδικασιών. Η πρόκληση σε κάθε περίπτωση είναι να γίνει κατανοητό με ποιο τρόπο τα πολλά ποζιτρόνια που δημιουργήθηκαν από αυτές θα μπορούσαν να επιζήσουν αρκετό καιρό ώστε κατόπιν να διασκορπιστούν αρκετά μακριά από τους τόπους της γεννήσεώς τους.

Τι γίνεται όμως με τις κοσμικές χορδές;

Ενώ μια πρόσφατη μελέτη του Tanmay Vachaspati προτείνει αυτές ως μια πιθανή πηγή των ποζιτρονίων της διόγκωσης, βγήκε πολύ πρόσφατα ο Kädlseder και είπε ότι δεν υπάρχουν αρκετά στοιχεία που να μας δηλώνουν ότι οι κοσμικές χορδές φτιάχνουν την ενέργεια των 511 keV και δεν ξέρουμε και εάν ακόμα υπάρχουν οι κοσμικές χορδές.

Ίσως όμως το πιο συναρπαστικό να είναι ότι τα ποζιτρόνια μπορούν να προέλθουν από την εξαΰλωση ενός σωματιδίου σκοτεινής ύλης χαμηλής μάζας και του αντισωματίου του. Οι επιστήμονες την ονομάζουν εξαϋλωση ελαφριάς σκοτεινής ύλης (1-100 MeV), και είναι πιθανώς η πιο εξωτική αλλά και η πιο συναρπαστική πηγή υποψηφίων γαλαξιακών ποζιτρονίων. Η σκοτεινή ύλη είναι ακόμα πιο εξωτική από το ποζιτρόνιουμ, γιατί η σκοτεινή ύλη δεν είναι αντιύλη, και κανένας δεν είναι σε θέση να τη συλλάβει στο εργαστήριο.