Телескоп NASA, возможно, обнаружил аннигиляцию антиматерии

Космический гамма-телескоп Ферми, запущенный NASA, исследовал то, что могло быть самым мощным взрывом со времен Большого взрыва, и обнаружил ранее невиданную особенность. Эта находка может быть результатом аннигиляции частиц материи и антиматерии на скорости 99,9% от скорости света.

Взрыв представлял собой гамма-всплеск (GRB), который был впервые зарегистрирован 9 октября 2022 года космическим гамма-телескопом Ферми NASA и обсерваторией Нила Герелса Свифта. Событию присвоили обозначение GRB 221009A. Мощность гамма-всплеска вскоре стала очевидной, и он получил прозвище "Самый яркий за все время" или BOAT (Brightest Of All Time).

За все время, что мы способны обнаруживать гамма-всплески, нет сомнений, что этот GRB — самый яркий из когда-либо наблюдавшихся, превосходя остальные в 10 и более раз.

— Вэнь-фай Фонг, доцент физики и астрономии и руководитель группы Фонг в Северо-Западном университете, одна из первооткрывателей BOAT

Ученые предполагают, что BOAT был вызван взрывом сверхновой, сопровождавшим смерть и коллапс массивной звезды, находящейся на расстоянии около 2,4 миллиарда световых лет от нас. Это событие, вероятно, оставило после себя черную дыру.

Через несколько минут после начала BOAT, Гамма-монитор всплесков Ферми зарегистрировал необычный энергетический пик, который привлек наше внимание. Когда я впервые увидела этот сигнал, у меня мурашки побежали по коже. Наш последующий анализ показывает, что это первая высоконадежная эмиссионная линия, когда-либо наблюдавшаяся за 50 лет изучения гамма-всплесков.

— руководитель исследования Мария Эдвиж Равазио из Университета Радбауда

Первый гамма-всплеск был зарегистрирован в 1967 году американскими спутниками Вела. Официально он был задокументирован два года спустя, а общественности о нем сообщили только в 1973 году. С тех пор ученые обнаружили множество гамма-всплесков, определив, что эти короткие вспышки света имеют космическое происхождение и представляют собой самые мощные и яркие взрывы во Вселенной.

Наиболее распространенный тип гамма-всплесков происходит, когда звезды, масса которых как минимум в восемь раз превышает массу Солнца, исчерпывают топливо, необходимое для ядерного синтеза в их ядрах, и больше не могут противодействовать силе собственной гравитации. В результате их ядра коллапсируют, создавая вращающуюся черную дыру, которая направляет материю к своим полюсам, выбрасывая ее в виде струй, движущихся со скоростью, близкой к скорости света. Когда эти струи направлены прямо на Землю, мы видим их как гамма-всплеск.

Гамма-всплески настолько мощны, что если бы один из них произошел в пределах нескольких тысяч световых лет от Земли, он мог бы уничтожить жизнь на нашей планете, нарушив или разрушив атмосферу. Однако даже среди всех этих ужасающих событий BOAT выделился практически сразу.

Ученые в итоге определили, используя статистику по другим наблюдаемым гамма-всплескам, что событие такой мощности и яркости, как BOAT, может быть видимо в небе над Землей лишь раз в 10 000 лет. Они также обнаружили, что, несмотря на расстояние в 2,4 миллиарда световых лет, BOAT действительно оказал влияние на атмосферу Земли.

9 октября 2022 года высокоэнергетическое гамма-излучение от BOAT насытило большинство гамма-детекторов на орбите, включая те, что находятся на борту Ферми. Это фактически помешало измерить истинную мощность взрыва в наиболее интенсивной точке. Однако примерно через пять минут после обнаружения BOAT он достаточно потускнел, чтобы Ферми смог снова его увидеть. Гамма-телескоп NASA обнаружил любопытную особенность в его свете, или "спектре", названную "предполагаемой эмиссионной линией".

Когда свет проходит через материю, элементы поглощают и испускают свет на определенных частотах, оставляя на нем абсорбционные и эмиссионные "отпечатки пальцев". Это означает, что ученые могут реконструировать элементы, через которые прошел этот свет, и определить химический состав объектов, с которыми он взаимодействовал.

Хотя некоторые предыдущие исследования сообщали о возможных доказательствах наличия абсорбционных и эмиссионных особенностей в других гамма-всплесках, последующая проверка показала, что все они могли быть просто статистическими флуктуациями. То, что мы видим в BOAT, отличается. Мы определили, что вероятность того, что эта особенность является просто шумовой флуктуацией, составляет менее одного шанса из полумиллиарда.

— Ом Шаран Салафия из Обсерватории INAF-Брера в Милане

Эмиссионная линия, обнаруженная Ферми в свете от BOAT, продолжалась около 40 секунд, достигнув пиковой энергии в 12 миллионов электронвольт (МэВ). Для сравнения, энергия света в видимой области электромагнитного спектра составляет от двух до трех электронвольт (эВ).

Исследователи предполагают, что знают причину этой особенности. У каждой частицы материи есть "близнец" — частица антиматерии. Когда эти частицы встречаются, они аннигилируют, высвобождая свою энергию обратно во Вселенную. Возможно, спектральная особенность, которую команда увидела в BOAT, происходит от аннигиляции электронов и их антиматериальных эквивалентов — позитронов.

Когда электрон и позитрон сталкиваются, они аннигилируют, производя пару гамма-лучей с энергией 0,511 МэВ. Поскольку мы смотрим внутрь струи, где материя движется почти со скоростью света, это излучение сильно смещается в синюю область спектра и сдвигается к гораздо более высоким энергиям.

— Гор Оганесян из Научного института Гран-Сассо

Если команда права, частицы должны были двигаться со скоростью около 99,9% от скорости света перед тем, как аннигилировать друг друга.

После десятилетий изучения этих невероятных космических взрывов мы все еще не понимаем деталей того, как работают эти струи. Обнаружение таких подсказок просто замечательно.

— Элизабет Хейс, научный сотрудник проекта Ферми в Центре космических полетов NASA имени Годдарда

Исследование команды было опубликовано 26 июля, в журнале Science.