Αστέρια Φτιαγμένα από Αντιύλη μπορεί να κρύβονται στο Σύμπαν

Η αντιύλη μπορεί να φαίνεται σαν το υλικό της επιστημονικής φαντασίας—ειδικά επειδή σχεδόν καθόλου μπορεί να δει κανείς στο σύμπαν μας, παρά τις καλύτερες θεωρίες των φυσικών που υποδηλώνουν ότι η αντιύλη θα έπρεπε να είχε προκύψει σε ίση αναλογία με την κανονική ύλη κατά τη διάρκεια της Μεγάλης Έκρηξης. Αλλά οι ερευνητές παράγουν τακτικά σωματίδια αντιύλης στα πειράματά τους και έχουν τις εννοήσεις μιας εξήγησης για την κοσμική απουσία της:Όποτε συναντώνται η αντιύλη και η κανονική ύλη, εξαφανίζονται αμοιβαία σε μια έκρηξη ενέργειας. Η πιο λεπτή υπεραφθονία κανονικής ύλης στην αρχή του χρόνου θα είχε ως εκ τούτου εξαλείψει αποτελεσματικά την αντιύλη από τον ουράνιο χάρτη, εκτός από την περιστασιακή παραγωγή της σε χτυπήματα κοσμικών ακτίνων, ανθρωπογενείς επιταχυντές σωματιδίων και ίσως ορισμένες θεωρητικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ σωματιδίων σκοτεινής ύλης. /P>

Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο οι φυσικοί ήταν τόσο πολύ μπερδεμένοι το 2018, όταν ο επικεφαλής του πειράματος του Alpha Magnetic Spectrometer (AMS) που τοποθετήθηκε στο εξωτερικό του Διεθνούς Διαστημικού Σταθμού ανακοίνωσε ότι το όργανο μπορεί να είχε ανιχνεύσει δύο πυρήνες αντιηλίου - εκτός από έξι πιθανώς εντοπίστηκε νωρίτερα. Με όποιον τρόπο το κόψετε, γνωστές φυσικές διεργασίες θα δυσκολευτούν να παράγουν αρκετό αντιήλιο ώστε οποιοδήποτε από αυτά να καταλήξει στους διαστημικούς ανιχνευτές μας. Αλλά η ευκολότερη από όλες αυτές τις δύσκολες μεθόδους θα ήταν να μαγειρέψετε το αντιήλιο μέσα σε αντιστέρες - που, φυσικά, δεν φαίνεται να υπάρχουν. Παρά το γεγονός ότι τα εντελώς απροσδόκητα αποτελέσματα του AMS δεν έχουν ακόμη επιβεβαιωθεί, πόσο μάλλον επίσημα δημοσιευμένα, οι επιστήμονες τα έχουν πάρει στα σοβαρά και ορισμένοι προσπάθησαν να βρουν εξηγήσεις.

Εμπνευσμένη από τα δοκιμαστικά ευρήματα του AMS, μια ομάδα ερευνητών δημοσίευσε πρόσφατα μια μελέτη που υπολογίζει τον μέγιστο αριθμό άστρων αντιύλης που θα μπορούσαν να κρύβονται στο σύμπαν μας, με βάση έναν αριθμό ανεξήγητων επί του παρόντος πηγών ακτίνων γάμμα που βρέθηκαν από το τηλεσκόπιο Fermi Large Area (LAT ). Simon Dupourqué, επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης και μεταπτυχιακός φοιτητής αστροφυσικής στο Ερευνητικό Ινστιτούτο Αστροφυσικής και Πλανητολογίας στο Πανεπιστήμιο της Τουλούζης III–Paul Sabatier στη Γαλλία και στο Εθνικό Κέντρο Επιστημονικής Έρευνας της Γαλλίας (CNRS), έκανε την εκτίμηση αφού έψαξε για υποψηφίους antistar σε μια δεκαετία από τα δεδομένα του LAT.

Τα αντιάστρα θα έλαμπαν όπως τα κανονικά - παράγοντας φως των ίδιων μηκών κύματος. Αλλά θα υπήρχαν σε ένα σύμπαν που κυριαρχείται από την ύλη. Καθώς σωματίδια και αέρια από κανονική ύλη έπεφταν στη βαρυτική έλξη ενός τέτοιου άστρου και ήρθαν σε επαφή με την αντιύλη του, η προκύπτουσα εξόντωση θα παρήγαγε μια λάμψη φωτός υψηλής ενέργειας. Μπορούμε να δούμε αυτό το φως ως ένα συγκεκριμένο χρώμα των ακτίνων γάμμα. Η ομάδα πήρε δεδομένα 10 ετών, τα οποία ανήλθαν σε περίπου 6.000 αντικείμενα που εκπέμπουν φως. Αντίστοιχαν τη λίστα σε πηγές που έλαμπαν με τη σωστή συχνότητα γάμμα και που δεν αποδίδονταν σε αστρονομικά αντικείμενα που είχαν καταγραφεί στο παρελθόν. «Έτσι, αυτό μας άφησε με 14 υποψηφίους, οι οποίοι, κατά τη γνώμη μου και τη γνώμη των συν-συγγραφέων μου, δεν antistars», λέει ο Dupourqué. Αν όλες αυτές οι πηγές ήταν τέτοια αστέρια, ωστόσο, η ομάδα υπολόγισε ότι περίπου ένα αντιάστρο θα υπήρχε για κάθε 400.000 συνηθισμένους στον αστρικό λαιμό μας στο δάσος.

Στη θέση τυχόν υποτιθέμενων αντιαστέρων, λέει ο Dupourqué, αυτές οι λάμψεις γάμμα θα μπορούσαν να προέρχονται από πάλσαρ ή τις υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες στα κέντρα των γαλαξιών. Ή μπορεί απλώς να είναι κάποιο είδος θορύβου ανιχνευτή. Το επόμενο βήμα θα ήταν να κατευθύνετε τηλεσκόπια στις θέσεις των 14 υποψήφιων πηγών για να ανακαλύψετε εάν μοιάζουν με αστέρι ή πεζό αντικείμενο που εκπέμπει γάμμα.

Λαμβάνοντας υπόψη μερικές ενδιαφέρουσες αλλά αμφισβητήσιμες πηγές γάμμα, ο υπολογισμός του πιθανού «ανώτερου ορίου» του αριθμού των αντιάστρων είναι μια μεγάλη ευκαιρία από την πραγματική ανακάλυψη τέτοιων αστροφυσικών αντικειμένων, επομένως οι περισσότεροι ερευνητές δεν κλίνουν προς αυτό το συμπέρασμα. "Σύμφωνα με τη θεωρία και τις παρατηρήσεις των εξωγαλαξιακών ακτίνων γάμμα, δεν θα έπρεπε να υπάρχουν αντιάστρα στον γαλαξία μας... Θα περίμενε κανείς μόνο ανώτερα όρια που να συμφωνούν με το μηδέν", λέει ο Floyd Stecker, αστροφυσικός στο Goddard Space Flight Center της NASA, ο οποίος ήταν δεν συμμετέχουν στην έρευνα. "Ωστόσο, είναι πάντα καλό να έχουμε περαιτέρω δεδομένα παρατήρησης που το επιβεβαιώνουν."

Εάν οι επιστήμονες, συμπεριλαμβανομένων των συγγραφέων, είναι δύσπιστοι για την ίδια την ύπαρξη των αντιστάρ, γιατί αξίζει να συζητηθούν; Το μυστήριο βρίσκεται σε αυτές τις ενοχλητικές πιθανές ανιχνεύσεις αντιηλίου που έγιναν από το AMS, οι οποίες παραμένουν ανεξήγητες. Τα αντισωματίδια μπορούν να δημιουργηθούν από δύο γνωστές φυσικές πηγές — τις κοσμικές ακτίνες και τη σκοτεινή ύλη — αλλά οι πιθανότητες να ευθύνεται κάποιο από αυτά φαίνεται να είναι ελάχιστα.

Καθώς αυξάνουμε το μέγεθος ενός ατόμου, γίνεται όλο και πιο δύσκολο να παραχθεί ως αντισωματίδιο, λέει η Vivian Poulin, κοσμολόγος του CNRS με έδρα το Μονπελιέ της Γαλλίας. Αυτό «σημαίνει ότι είναι όλο και πιο σπάνιο να συμβαίνει, αλλά επιτρέπεται από τη φυσική». Ένα αντιπρωτόνιο σχηματίζεται σχετικά εύκολο, ωστόσο οτιδήποτε βαρύτερο, όπως το αντιδευτέριο - ένα αντιπρωτόνιο συν ένα αντινετρόνιο - ή ένα αντιήλιο - δύο αντιπρωτόνια συν συνήθως ένα ή δύο αντινετρόνια - γίνεται προοδευτικά πιο δύσκολο να κατασκευαστεί καθώς γίνεται πιο μαζικό. Σε μια εργασία που δημοσιεύθηκε το 2019, ο Poulin χρησιμοποίησε τις πιθανές ανιχνεύσεις αντιηλίου του AMS για να υπολογίσει μια χονδρική εκτίμηση της επικράτησης των αντιάστρων, που ενέπνευσε τη νέα μελέτη του Dupourqué.

Σε μια διαδικασία που ονομάζεται θραύση, οι κοσμικές ακτίνες υψηλής ενέργειας από τα αστέρια που εκρήγνυνται μπορούν να εισχωρήσουν σε διαστρικά σωματίδια αερίου, λέει ο Pierre Salati, αστροφυσικός σωματιδίων στο Εργαστήριο Φυσικής Σωματιδίων Annecy-le-Vieux, ο οποίος εργάστηκε στη μελέτη του Poulin το 2019. Η ομάδα που είναι υπεύθυνη για τις ανιχνεύσεις αντισωματιδίων του AMS ισχυρίζεται ότι μπορεί να έχει ανιχνεύσει έξι πυρήνες αντιηλίου-3, οι οποίοι θα ήταν απίστευτα σπάνια προϊόντα κατάρρευσης, και δύο πυρήνες αντιηλίου-4, που θα ήταν σχεδόν στατιστικά αδύνατο να σχηματιστούν από τις κοσμικές ακτίνες, λέει ο Salati. (Η διαφορά μεταξύ των δύο ισοτόπων είναι η προσθήκη ενός αντινετρονίου.)

Όσο για τη σκοτεινή ύλη, ορισμένα μοντέλα προβλέπουν ότι τα σωματίδια της σκοτεινής ύλης μπορούν να εξαφανιστούν το ένα το άλλο - μια διαδικασία που θα μπορούσε επίσης να δημιουργήσει αντισωματίδια. Αλλά αυτή η διαδικασία μπορεί ακόμα να μην είναι σε θέση να φτιάξει το αντιήλιο-4 σε αρκετά υψηλές ποσότητες ώστε να έχουμε μια ρεαλιστική πιθανότητα να το δούμε ποτέ (αν τέτοια κερδοσκοπικά μοντέλα αντικατοπτρίζουν καθόλου την πραγματικότητα). Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο η υπόθεση antistar είναι ακόμα στο τραπέζι. Οι επαληθευμένες ανιχνεύσεις αντιηλίου θα ήταν ένας καλός δείκτης για την ύπαρξη αντιαστέρων, αλλά μέχρι στιγμής το AMS είναι το μοναδικό πείραμα που προσφέρει τέτοια στοιχεία — το οποίο δεν έχει ακόμη λάβει δημοσίευση με κριτές, σημειώνει ο Salati.

«Είναι μια πολύ προκλητική ανάλυση γιατί, για κάθε ένα γεγονός αντιηλίου, υπάρχουν 100 εκατομμύρια κανονικά συμβάντα ηλίου», λέει ο Ilias Cholis, αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο του Όκλαντ, ο οποίος εργάστηκε επίσης στη μελέτη του Poulin. Είναι πιθανό, λέει ο ίδιος και άλλοι, ότι οι ανιχνεύσεις αποδεικνύονται ατυχήματα μιας πολύ περίπλοκης ανάλυσης.

Ο Samuel Ting, βραβευμένος με Νόμπελ φυσικός στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης, ηγείται της ομάδας AMS και παρουσίασε για πρώτη φορά δημόσια τις δύο πιο πρόσφατες πιθανές ανιχνεύσεις αντιηλίου—τους υποψήφιους αντιηλίου-4—το 2018. «Δεν είμαστε ακόμη έτοιμοι να δημοσιεύσουμε αποτελέσματα βαριάς αντιύλης ," αυτος λεει. "Συλλέγουμε περισσότερα δεδομένα πριν γίνει οποιαδήποτε [περαιτέρω] ανακοίνωση."

Είναι πιθανό ένα διαφορετικό πείραμα να δώσει απαντήσεις νωρίτερα. Το πείραμα General AntiParticle Spectrometer (GAPS) είναι ένας ανιχνευτής που μεταφέρεται με μπαλόνια που θα κυνηγήσει για αντισωματίδια πάνω από την Ανταρκτική φέτος. Η εύρεση περισσότερων αντισωματιδίων —αντιδευτερονίων ή ακόμη και αντιηλίου, συγκεκριμένα, σύμφωνα με τον Cholis— με τον ανιχνευτή GAPS θα έκανε τα αποτελέσματα του AMS πολύ πιο πειστικά.

Εάν αποδεικνυόταν ότι τα αντιάστρα ήταν ο ένοχος, αυτή η ανακάλυψη θα απαιτούσε μια σημαντική αναθεώρηση της εξέλιξης του σύμπαντος:δεν θα μπορούσαμε πλέον να υποβιβάσουμε τα αντιάστρα και άλλα υποθετικά αστροφυσικά αντικείμενα που αποτελούνται από αντιύλη στα όρια της λογικής εικασίας. Ακόμα κι αν υπάρχουν, ωστόσο, τα αντιάστρα πιθανότατα δεν σχηματίζονται τώρα, λέει ο Salati, επειδή τα υποτιθέμενα γενέθλια σύννεφα αντιυδρογόνου τους θα αντιμετώπιζαν μεγάλες πιθανότητες να αποφύγουν τον αφανισμό για τα τελευταία 13 δισεκατομμύρια χρόνια περίπου. Έτσι, Οποιαδήποτε αντιάστρα που θα μπορούσαν να βρεθούν πιθανό θα ήταν εξαιρετικά παλιά απομεινάρια του πρώιμου σύμπαντος. Αν ναι, ένα βαθύ μυστήριο θα αντικατασταθεί με ένα άλλο:Πώς, ακριβώς, κατάφεραν να επιβιώσουν τέτοια αρχαία λείψανα μέχρι σήμερα; Όπως συμβαίνει συχνά, μια νέα ανακάλυψη εγείρει πολύ περισσότερα ερωτήματα από όσα απαντά.