Gibt es eine riesige Wolke aus Antimaterie im Zentrum der Milchstraße?

Es gibt Antimaterie, aber "eine riesige Wolke" ist die völlig falsche Beschreibung dafür. Klären wir also einige mögliche Missverständnisse auf.

Antimaterie ist nicht so ungewöhnlich zu finden ...

Sicher, es vernichtet sich ziemlich schnell, wenn es mit normaler Materie interagiert, aber der Raum neigt dazu, ziemlich, nun ja, leer zu sein. Wenn Sie also ein Antimaterie-Partikel herstellen, kann es einige Zeit dauern, bis es etwas findet, mit dem es vernichten kann. Außerdem erzeugt viel normale Materie Antimaterie: Radioaktive Kerne mit einem zu hohen Positronen-/Neutronenanteil können eine Positronenemission eingehen, bei der sie tatsächlich ein Antimaterieteilchen emittieren.

...Aber es sollte ein relativ kleiner Bruchteil der gesamten Materie sein.

Die erwähnte "Wolke" ist eine Region mit mehr Antimaterie, als Sie vielleicht naiv erwarten würden, aber nicht überwältigend mehr. Es ist eine große Region mit Tausenden von Sternensystemen, die sich alle normal verhalten und, wie ich weiter unten berechnen werde, fast ausschließlich aus normaler Materie bestehen, sogar mit Ausnahme der Sterne.

Die Nachrichten bis zu ihrer Quelle zurückverfolgen.

Zunächst sollten wir hier die wissenschaftlichen Originalveröffentlichungen finden. Die Geschichte, die Sie verlinkt haben, basiert eigentlich auf dieser Pressemitteilung der NASA aus dem Jahr 2008 , die wiederum über den Nature - Artikel von 2008 geschrieben wurde: „ Eine asymmetrische Verteilung von Positronen in der galaktischen Scheibe enthüllt von$\gamma$-Strahlen ".

Bemerkenswert ist, dass diese "Wolke" alte Nachrichten sind - das abnormale Antimateriesignal wurde vor Jahrzehnten gesehen. In diesem Artikel wird lediglich darauf hingewiesen, dass das Signal aus einer Region kommt, die etwas außerhalb des Zentrums der Galaxie liegt, was einen Hinweis auf die Quelle liefern könnte (dazu später mehr).

Wie viel Antimaterie gibt es wirklich?

Der Nature- Artikel gibt uns einige wichtige Fakten. Erstens ist das interessierende Antimateriesignal das$511\ \mathrm{keV}$Linie. Dies ist das Ergebnis eines Positrons ($\mathrm{e}^+$) Vernichtung mit einem Elektron ($\mathrm{e}^-$), die zwei hochenergetische Gammastrahlen (Photonen,$\gamma$):

$$\mathrm{e}^+ + \mathrm{e}^- \to 2\gamma.$$ Beide Gammastrahlen haben eine Energie von genau $511\ \mathrm{keV}$, wie man anhand der einfachen Energie- und Impulserhaltung zeigen kann. Daher wissen wir, dass die Antimaterie speziell einige unberechenbare Positronen (Antielektronen) sind, nicht ganze Atome und Moleküle und dergleichen.

Sie sagen, die Größe der Emissionsregion ist ungefähr$600\ \mathrm{pc}$Quer, ¹ und so nehmen wir seinen Radius zu sein$R = 300\ \mathrm{pc} = 9\times10^{17}\ \mathrm{cm}$Sie sagen uns auch, dass sie einen Fluss von sehen$F = 1\times10^{-3}\ \mathrm{cm^{-2} s^{-1}}$(Photonen pro Quadratzentimeter pro Sekunde). Außerdem zitieren sie einen weiteren Artikel, „ Spektralanalyse der Galaktischen$\mathrm{e}^+\mathrm{e}^-$Vernichtungsemission “, die das interstellare Medium modellierte und zu dem Schluss kam, dass das durchschnittliche Positron unter diesen Bedingungen einige Zeit wandern würde$\tau = 10^5\ \mathrm{yr} = 3\times10^{12}\ \mathrm{s}$.

Lassen$n$sei die Anzahldichte der Positronen in der "Wolke". Jetzt ein Band$V = (4\pi/3) R^3$werde haben$nV$Positronen darin, und es wird eine Gammastrahlenproduktionsrate von geben$Q = 2nV/\tau$. Wenn$A = \pi R^2$ist die projizierte Fläche der Wolke, wir erwarten einen Fluss von zu beobachten$F = Q/A = 8Rn/3\tau$. Damit können wir rechnen

$$n = \frac{3\tau F}{8R} \approx 1\times10^{-9}\ \mathrm{cm^{-3}}.$$ Die typische Anzahldichte von Wasserstoff im interstellaren Raum ist so etwas wie $1\ \mathrm{cm^{-3}}$, also machen die Positronen etwa ein Teil pro Milliarde des interstellaren Materials in dieser Region aus.

Woher kommen die Positronen?

Das Spannende an diesen Artikeln ist die asymmetrische Platzierung der Wolke, wie bereits erwähnt. Insbesondere behauptet der Nature -Artikel, dass diese Asymmetrie dieselbe ist wie die, die in der Verteilung von Röntgendoppelsternen nahe dem Zentrum der Galaxie beobachtet wurde. Nun sind Röntgendoppelsterne schwarze Löcher mit stellarer Masse, die Material von einem Begleitstern ansammeln, was zu einer heißen Akkretionsscheibe und vielleicht einigen relativistischen Jets führt, die entlang der Scheibenachse zeigen. Solche extremen Bedingungen können Positronen erzeugen, die in den interstellaren Raum geblasen werden können, wo sie etwa hunderttausend Jahre bestehen bleiben.

Alternative Quellen sind bekannt. Zum Beispiel,${}^{26}\mathrm{Al}$ist ein radioaktives Isotop, das in einigen Supernovae mit einer Halbwertszeit von etwas weniger als einer Million Jahren produziert wird. Eine Möglichkeit des Zerfalls ist die Positronenemission:

$${}^{26}\mathrm{Al} \to {}^{26}\mathrm{Mg}^* + \mathrm{e}^+,$$ wo der nukleare angeregte Zustand ${}^{26}\mathrm{Mg}^*$zerfällt in den Grundzustand ${}^{26}\mathrm{Mg}$durch Aussendung von a $1809\ \mathrm{keV}$Photon. In der Tat diskutiert der Nature -Artikel das Entfernen eines Teils der $511\ \mathrm{keV}$Signal basierend auf dem, was die $1809\ \mathrm{keV}$Linie erzählt uns von der ${}^{26}\mathrm{Al}$Beitrag zur Positronenpopulation.

Die andere faszinierende Idee, die diskutiert wurde, ist, dass der beobachtete Gammastrahlenüberschuss mit der Vernichtung dunkler Materie zusammenhängt. Das heißt, die derzeit beste Vermutung, die wir für die Natur der Dunklen Materie haben, ist, dass es sich um eine Teilchenart handelt, die sehr selten mit irgendetwas anderem interagiert, aber gelegentlich mit sich selbst vernichten kann, wodurch Photonen oder möglicherweise andere Teilchen wie Positronen erzeugt werden.

In Summe...

Im Zentrum der Galaxie gibt es im Vergleich zu normaler Materie mehr Positronen als anderswo, aber sie sind immer noch ein winziger Teil des interstellaren Mediums. Wenn es einen Bereich gäbe, der hauptsächlich aus Antimaterie oder zu etwa gleichen Teilen aus Materie und Antimaterie besteht, wäre entweder seine Oberfläche oder sein Inneres unglaublich hell, weitaus heller als jedes Signal, das wir erkennen.

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¹ Nun, eigentlich sagen sie, dass es eine volle Winkelbreite bei halbem Maximum hat$6^\circ$, und das in dieser Entfernung$1^\circ$entspricht$100\ \mathrm{pc}$.

Dies beantwortet den Beobachtungsteil.

Satellit erklärt riesige Wolke aus Antimaterie

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In den 1970er Jahren entdeckten auf Ballons geflogene Gammastrahlendetektoren eine riesige Wolke um das galaktische Zentrum herum. Diese Wolke strahlt die Art von Gammastrahlen aus, die entstehen, wenn Elektronen und Positronen sich gegenseitig vernichten. Die Wolke selbst hat einen Durchmesser von etwa 10.000 Lichtjahren und leuchtet mit der Energie von etwa 10.000 Sonnen.

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Dank des Integral-Satelliten haben Astronomen möglicherweise eine Antwort auf ihre Frage. Integral, das von der Europäischen Weltraumorganisation mit Hilfe der NASA gebaut und betrieben wurde, entdeckte, dass die Antimateriewolke nicht perfekt auf den galaktischen Kern zentriert ist. Die Wolke ist auf der Westseite länger als auf der Ostseite.

Integral fand auch heraus, dass bestimmte Arten von Doppelsternsystemen auf die gleiche Weise verteilt sind. Diese Binärdateien bestehen aus zwei Sternen: Ein Stern ist ein normaler Stern und der andere ist der tote Überrest eines explodierten Sterns. Diese Überbleibsel können sogenannte Neutronensterne oder Schwarze Löcher sein. Die Schwarzen Löcher und Neutronensterne in diesen Doppelsternen stehlen Gas von ihren Begleitsternen, und wenn dieses Gas auf den Überrest fällt, erwärmt es sich und sendet Röntgenstrahlen aus. Aus diesem Grund werden diese Systeme als Röntgendoppelsterne bezeichnet.

Größeres Bild „Einfache Schätzungen deuten darauf hin, dass etwa die Hälfte oder möglicherweise die gesamte Antimaterie aus Röntgendoppelsternen stammt“, sagt Georg Weidenspointer vom Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik in Deutschland, der der Hauptautor der wissenschaftlichen Arbeit des Teams ist. Dieses Papier wird in der Ausgabe vom 10. Januar 2008 der Zeitschrift Nature veröffentlicht.

Spätere Referenzen :

Die Form der mysteriösen Antimateriewolke in den zentralen Regionen der Milchstraße wurde von Integral enthüllt. Die unerwartet schiefe Form ist ein neuer Hinweis auf den Ursprung der Antimaterie. Die Beobachtungen haben die Wahrscheinlichkeit widerlegt, dass die Antimaterie aus der Vernichtung oder dem Zerfall astronomischer dunkler Materie stammt.

Es ist einfach, Elektron-Positron-Paare zu erzeugen, sobald man Röntgen- und Gammastrahlen hat, wie bei den Doppelsternen. Echte Relikte von Antimaterie aus der Evolution des Universums sollten auch Signaturen von der Vernichtung von Kernen haben, ein viel energetischerer Effekt als die Vernichtung von Elektron-Positronen. Die Gammastrahlen, die von pi0-Zerfällen (~ 1/3 der Endteilchen bei der Antiprotonen-Protonenvernichtung) kommen, sind energiereich (~70 MeV im Massenzentrum) und wären charakteristisch für eine Wolkenvernichtung. Von solchen Beobachtungen habe ich noch nichts gehört.

Du fragst:

Außerdem - gibt es eine schnelle und einfache Möglichkeit zu erklären, warum angenommen wird, dass die Gesamtmenge an Materie im Universum größer ist als die gesamte Antimaterie (oder bestätigen, dass wir nicht einmal wissen, ob das wahr ist oder nicht)?

Die kurze Antwort lautet: „Wir wissen nicht“, warum wir keine Anzeichen von Antimaterie in relativer Gleichheit mit Materie gesehen haben. Es ist eine experimentelle Tatsache, dass unser Universum aus Materie besteht, wir haben keine Signaturen der ursprünglichen Vernichtung gesehen.

Im Standardmodell der Teilchenphysik existiert eine gewisse Teilchen-Antiteilchen-Asymmetrie, die die Laborbeobachtungen erklärt, aber nicht die ursprüngliche Asymmetrie erklären kann. An Theorien, sowohl auf Elementarteilchen- als auch auf kosmologischer Ebene, wird gearbeitet, aber ich kenne keine erfolgreichen.

Einführung:

Ja, das könnte sein. Wenn Astronomen sicher sind, dass sie Gammastrahlen sehen können, die bei der Materie-Antimaterie-Vernichtung entstehen, dann ja. (es sei denn, dass bei einer Sternexplosion Gammastrahlen erzeugt werden). Produzierte Energie kann mit Einsteins „berühmtester“ Gleichung beschrieben werden$E=mc^2$(wie die von Ihnen erwähnte Seite sagt)

Beispiel für Elektron-Positron-Vernichtung:

Wie Ihre Seite, die Sie erwähnt haben, sagt, kann die Vernichtung von Materie und Antimaterie mit der Einstein-Gleichung beschrieben werden$E=mc^2$, In diesem Abschnitt betrachten wir die Elektron-Positron-Vernichtung. Hier ist das Feynman-Diagramm für dieses Ereignis:

oder diese Reaktion kann auch so dargestellt werden:$e^+e^-\rightarrow \gamma\gamma$, Nach der Vernichtung produzieren sie zwei Gammastrahlen, die insgesamt erzeugte Energie sieht so aus$E=2m_ec^2$.

Abschluss:

Abschließend lautet die Antwort: Ja, es könnte sein. Kann aber sein, dass es falsch ist. Gammastrahlen können auch durch Supernova oder Hypernova erzeugt werden (Sternexplosion (es sei denn, der Stern hätte genug Energie, um genügend Antimaterie zu produzieren, und diese Antimaterie würde auf Materie treffen und sie vernichten und erzeugen Gammastrahlen):

Oder sogar durch ein Schwarzes Loch im Zentrum unserer Galaxie :

(Blaue Lichter in diesem Bild zeigen emittierte Energie (Gammastrahlen) von einem Schwarzen Loch)