Отпечатки пальцев в спектре: пульсары против тёмной материи ✛ ✎ ✦

Оригинал: "Electrons and Positrons in Cosmic Rays"
· A. D. Panov
arXiv:1303.6118 · 2013-03-25 · arXiv non-exclusive · собственный разбор · 2 мин
Высокоточный спектр электронов, измеренный прибором ATIC, показывает узкие пики, которые нельзя объяснить аннигиляцией тёмной материи, но можно — близкими пульсарами.

Спектр космических электронов — это как отпечатки пальцев на месте преступления. Частицы, прилетающие из глубин Галактики, несут в своих энергиях следы тех, кто их породил. Долгое время картина была смазанной: приборы с широкими энергетическими бинами, словно размытые фотографии, не давали рассмотреть детали. Но недавно в руках учёных оказался чёткий снимок — высокоточный спектр, измеренный прибором ATIC с разрешением около 3%. И на нём проступили неожиданные линии.

Тонкая структура спектра — три пика и три провала — это как бороздки на снаряде, по которым можно узнать, из какого ствола он выпущен.

Раньше считалось, что все позитроны в космических лучах рождаются вторично: протоны, сталкиваясь с межзвёздным газом, производят электрон-позитронные пары. Но данные PAMELA и Fermi/LAT показали, что доля позитронов растёт с энергией, чего вторичная модель объяснить не может. Возникли два главных подозреваемых: аннигиляция частиц тёмной материи и близкие пульсары — быстро вращающиеся нейтронные звёзды, которые, как маяки, выбрасывают потоки частиц. Оба сценария одинаково хорошо описывали низкоэнергетические данные, и различить их не удавалось.

Новый спектр ATIC изменил правила игры. В области 200–600 ГэВ он показал не гладкую кривую, а отчётливую зубчатую структуру: три пика около 250, 350 и 450 ГэВ и три провала между ними. Статистическая значимость — 99.7%, и структура воспроизвелась в двух независимых полётах. Это не случайные флуктуации, а настоящие отпечатки.

Тёмная материя, аннигилируя, даёт широкий плавный спектр — один размытый след. Несколько узких пиков она создать не может. А вот несколько близких пульсаров, каждый из которых впрыскивает электроны определённых энергий, естественно дают такую гребёнку.

Подгонка тонкой структуры несколькими пульсарами возможна при разумных параметрах. Более того, в этом случае доля позитронов должна быстро расти с энергией, достигая примерно 0.4 при 400–500 ГэВ, что согласуется с данными Fermi/LAT до 200 ГэВ. Так отпечатки пальцев начинают складываться в портрет конкретных источников.

Теперь, когда у нас есть чёткий снимок, остаётся подтвердить его независимыми экспериментами. Если тонкая структура воспроизведётся на других приборах, это станет решающим аргументом в пользу пульсарного происхождения аномалий. И тогда загадка избытка позитронов будет раскрыта — не тёмной материей, а знакомыми космическими маяками.

Прибор ATIC летал на воздушном шаре вокруг Южного полюса трижды, и в двух полётах (ATIC-2 и ATIC-4) тонкая структура спектра электронов воспроизвелась с точностью до деталей, несмотря на разные условия.

Учёные
Enrico FermiErnest RutherfordAlbert EinsteinBarry BarishKip ThorneRichard Feynman
Понятия
источник космических лучей сверхвысоких энергий состав космических лучей позитрон ускорение частиц астрофизическая поляриметрия аксионная тёмная материя пульсар электрон-позитронная пара фотоэлектрон обнаружение аксионов нейтронными звёздами радиопомехи полярон явления пульсаров реконструкция энергии асимметричная тёмная материя радиоисточник синхротронное излучение аномалия пульсация излучение света нейтронной звездой