Mapa do céu com o modelo 'halo + disco' mais adequado para emissão de linha de raios gama de 511 keV. Crédito da imagem: INTEGRAL. Clique para ampliar.
O pósitron, a contraparte antimatéria do elétron, foi previsto pela equação de onda quântica de Paul Dirac - na época revolucionária - para o elétron. Alguns anos depois, em 1932, Carl Anderson descobriu o pósitron em raios cósmicos, e Dirac ganhou o Prêmio Nobel em 1933 e Anderson em 1936.
Quando um pósitron encontra um elétron, eles se aniquilam, produzindo dois raios gama. Às vezes, no entanto, a aniquilação é precedida pela formação de positrônio, que é como um átomo de hidrogênio com o próton substituído por um pósitron (o positrônio tem seu próprio símbolo, Ps). O positrônio vem em duas formas, é instável e decai em dois gama (em cerca de 0,1 nanossegundos) ou três (em cerca de 100 nanossegundos).
Os astrônomos sabem desde a década de 1970 que deve haver muitos pósitrons no universo. Por quê? Porque quando um pósitron e um elétron se aniquilam para dar dois gama, ambos têm o mesmo comprimento de onda, cerca de 0,024 Å ou 0,0024 nm (astrônomos, como os físicos de partículas, não falam sobre os comprimentos de onda dos raios gama, eles falam sobre sua energia; 511 keV neste caso). Então, se você olhar para o céu com visão de raios gama - de cima da atmosfera, é claro! - você sabe que havia muitos pósitrons porque você pode ver muitos gammas de uma única 'cor', 511 keV (é semelhante a concluir que há muito hidrogênio no universo, observando muitos H alfa vermelho (1,9 eV) no céu noturno).
Do espectro do decaimento de três gama do positrônio, comparado com a intensidade da linha de 511 keV, os astrônomos descobriram há quatro anos que cerca de 93% dos pósitrons cuja aniquilação vemos formar positrônio antes que decaiam.
Quanto positrônio? No volume da Via Láctea, cerca de 15 bilhões (mil milhões) de toneladas de pósitrons são aniquilados a cada segundo. É tanta massa quanto os elétrons em dezenas de trilhões de toneladas de material com que estamos acostumados, como pedras ou água; quase tanto quanto em um asteróide de tamanho médio, com 40 km de diâmetro.
Ao analisar os dados INTEGRAL divulgados publicamente (cerca de um ano), Jörgen Knödlseder e seus colegas descobriram que:
- os pósitrons que estão sendo aniquilados no disco da Via Láctea provavelmente vêm do decaimento beta + (ie pósitron) dos isótopos Alumínio-26 e Titânio-44, que foram produzidos em supernovas recentes (lembre-se, os astrônomos chamam 10 milhões de anos atrás) 'recente')
- no entanto, há mais pósitrons sendo aniquilados na protuberância da Via Láctea do que no disco, por um fator de cinco
- parece não haver nenhuma fonte de 'pontos'.
Obviamente, para um cientista INTEGRAL, uma fonte de 'ponto' não tem o mesmo significado que para um astrônomo amador! A visão de raios gama na linha de positrônio é incrivelmente embaçada, um objeto com seis luas de diâmetro (3?) Pareceria um "ponto"! No entanto, Knölsleder e sua equipe de detetives astrofísicos são capazes de dizer que “nenhuma das fontes que procuramos mostrou um fluxo significativo de 511 keV”; esses 40 'suspeitos comuns' incluem pulsares, quasares, buracos negros, restos de supernovas, regiões formadoras de estrelas, aglomerados de galáxias ricas, galáxias satélites e blazares. Mas eles ainda estão procurando: “De fato [planejamos], dedicamos observações INTEGRAIS aos suspeitos do costume, como supernovas tipo Ia (SN1006, Tycho) e LMXB (Cen X-4), que podem ajudar a resolver esse problema . ”
Então, de onde vêm os 15 bilhões de toneladas de pósitrons que são aniquilados a cada segundo no volume? "Para mim, a coisa mais importante sobre a aniquilação de pósitrons é que a principal fonte ainda é um mistério", diz Knölsleder. “Podemos explicar a fraca emissão do disco pelo decaimento de alumínio-26, mas a maior parte dos pósitrons está situada na região protuberante da galáxia, e não temos uma fonte que possa explicar facilmente todas as características observacionais. Em particular, se você comparar o céu de 511 keV com o céu observado em outros comprimentos de onda, reconhecerá que o céu de 511 keV é único! Não há outro céu que se assemelhe ao que observamos.
A equipe INTEGRAL sente que pode descartar estrelas maciças, colapsares, pulsares ou interações com raios cósmicos, pois se essas fossem a fonte dos pósitrons protuberantes, o disco seria muito mais brilhante à luz de 511 keV.
Os pósitrons protuberantes podem vir de binários de raios X de baixa massa, novase clássicas ou supernovas tipo 1a, através de uma variedade de processos. O desafio em cada caso é entender como pósitrons suficientes criados por eles podem sobreviver o suficiente depois e se difundir o suficiente de seus locais de nascimento.
E as cordas cósmicas? Enquanto o recente artigo de Tanmay Vachaspati, propondo-os como uma possível fonte de pósitrons protuberantes, saiu muito recentemente para Knödlseder et al. a considerar no artigo: “No entanto, para mim, não é óbvio que tenhamos restrições observacionais suficientes para afirmar que as cordas cósmicas produzem 511 keV; nem sabemos se existem cordas cósmicas. Seria necessário uma característica única das cordas cósmicas que excluem todas as outras fontes, e hoje acho que estamos longe disso. ”
Talvez o mais emocionante seja que os pósitrons possam vir da aniquilação de uma partícula de matéria escura de baixa massa e seu antipartícula, ou como Knödlseder et al. coloque “Aniquilação da matéria escura clara (1-100 MeV), como sugerido recentemente por Boehm et al. (2004), é provavelmente a fonte candidata mais exótica, mas também a mais empolgante de pósitrons galácticos. ” A matéria escura é ainda mais exótica que o positrônio; a matéria escura não é anti-matéria e ninguém foi capaz de capturá-la, muito menos estudá-la em laboratório. Os astrônomos aceitam que é onipresente e rastrear sua natureza é um dos tópicos mais quentes da astrofísica e da física de partículas. Se os bilhões de toneladas por segundo de pósitrons aniquilados na protuberância da Via Láctea não podem ter vindo de novas clássicas ou supernovas termonucleares, então talvez a culpa seja da boa e velha matéria escura.
