Mystisk objekt nær Solsystemet?

Nyt om den kosmiske stråling:
Der er inden for den seneste måned blevet offentliggjort 2 artikler om opdagelsen af henholdsvis en anormal forekomst af positroner (http://arxiv.org/abs/0810.4995) og et overskud af elektroner med energier i området 300-800 Gev (http://www.nature.com/nature/journal/v456/n7220/full/nature07477.html) i den kosmiske stråling. Kosmiske stråling består af atomkerner (mest protoner), elektroner og positroner (elektronens antipartikel) med meget høje energier, mange gange energien svarende til partiklens hvilemasse udtrykt som energi ved anvendelse af Einsteins E = m*c*c. En elektrons hvileenergi er ca 500 keV (kilo-elektronvolt). 500 GeV (giga-elektronvolt) er en million gange hvileenergien. Man siger at partiklens gamma-faktor er 1000000. Man mener at Mælkevejens kosmiske stråler accelereres af chokbølger i den gas, som udsendes ved en supernovaeksplosion. Den mest kendte er krabbetågen, der befinder sig ca 2000 parsec fra Solsystemet.

PAMELA EKSPERIMENTET:

Den første artikel rapporterer om resultater fra PAMELA eksperimentet på en russisk satellit opsendt den 15. juni 2006. Hovedformålet er at studere antipartikler i den kosmiske stråling, især positroner og antiprotoner.

Figuren viser placeringen af PAMELA på satelliten.
Figuren viser placeringen af PAMELA på satelliten.

 

De røde punkter på figuren angiver det målte forhold mellem antal positroner og summen af antal positroner og elektroner som funktion af energien i GeV (giga-elektronvolt). Den sorte kurve angiver en teoretisk beregning af positronproduktionen som følge af sammenstød mellem den kosmiske strålings protoner og den interstellare gas i Mælkevejen. Positroner med energier over 10 GeV synes ikke alene at kunne produceres på denne måde. De kaldes derfor “anormale”.

ATIC EKSPERIMENTET:

Artiklen i tidsskriftet Nature giver de seneste resultater fra en ballonflyvning af instrumentet “Advanced Thin Ionization Calorimeter”, eller kort ATIC, over Antarctica sluttende den 15. januar 2008. Opsendelsen af eksperimentet er vist på figuren til venstre.

Ballon-opsendelse af eksperiment
Ballon-opsendelse af eksperiment
Resultat af ksperiment
Resultat af ksperiment

Eksperimentets resultat vises til højre. De fyldte cirkler angiver antallet af målte elektroner som funktion af energien med usikkerhederne angivet som horisontale og vertikale linjer. Den stiplede linje angiver de forventede tællinger ud fra en model for de kosmiske strålers udbredelse i Mælkevejens gasskive, men uden stærke kilder i Solsystemets nærmeste omegn. Man ser tydeligt at der er et overskud af elektroner med energier omkring 500 GeV.

MYSTISKE KILDER I SOLSYSTEMETS NÆRHED:

En ladet partikel bevæger sig ikke på en ret linje mellem kilden og Solsystemet. Den bevæger sig i en spiral omkring det interstellare magnetfelt, så den bevæger sig meget længere end afstanden til kilden. Elektronens cirkelbevægelse er en acceleration, så den udsender en elektromagnetisk stråling, som kaldes synkrotronstråling (http://en.wikipedia.org/wiki/Synchrotron_radiation). En energirig elektron kan også miste energi ved spredning på mikrobølgefotoner eller infrarøde fotoner. Dette kaldes omvendt Compton-spredning (http://en.wikipedia.org/wiki/Compton_scattering). Den spredte foton får sin energi forøget med kvadratet på gamma-faktoren. Energien forøges i dette tilfælde en million milion gange! Den kosmiske mikrobølgebaggrundsstrålings fotoner har i middel energien 0.6 meV (milli-elektronvolt). De får deres energi sparket op til 600 MeV (mega-elektronvolt). En 500 GeV elektron taber sin energi ved disse to mekanismer i løbet af kun 100000 år. Elektronerne kan på grund af deres spiralbevægelser kun nå at bevæge sig 1000 parsec, inden de har mistet energien. Kilderne må altså befinde sig i solens umiddelbare omegn. Krabbetågen kan ikke være kilden, da den befinder sig 2000 kpc fra Solsystemet.

MULIGE KILDER TIL ENERGIRIGE ELEKTRONER OG POSITRONER:

Der findes 2 hovedkandidater til energirige elektroner/positroner i Solsystemets nærhed: 1) magnetosfæren tilhørende en hurtigt roterende neutronstjerne og 2) selvannihilation af mørkt stof. Et godt eksempel på 1) er Geminga (http://en.wikipedia.org/wiki/Geminga) Den blev opdaget som en gammastrålekilde i begyndelsen af 1970erne. Den blev endeligt afsløret som en Røntgenpulsar med perioden 0.237 sekunder i 1991. Den udsender imidlertid ingen radioimpulser i Solens retning. Geminga befinder sig 170 parsec fra Solsystemet, så den er en oplagt kandidat. Det viser sig imidlertid at der angiveligt kræves 60 gemingaer, og hvordan har disse kunnet gemme sig? Den anden mulighed forudsætter at “mørkt stof”-partikler er hinandens antipartikler, samt at de annihilerer direkte til et elektron-positron par. Det er endvidere en komplikation at en jævn fordeling af mørkt stof giver en produktionsrate, der er alt for lav. Der må findes en klump af mørkt stof nogle få hundrede parsec fra solsystemet. Den punkterede linje i figur-4 angiver det beregnede bidrag fra annihilation af Kaluza-Klein “mørkt stof”-partikler hver med en hvilemasse nær 620 GeV. Heldigvis udsendes der gammastråling både fra hurtigtroterende neutronstjerner og fra annihilerende mørkt stof, så NASAs nye Fermi-observatorium (http://en.wikipedia.org/wiki/Gamma-ray_Large_Area_Space_Telescope) vil sandsynligvis hurtigt kunne afsløre kilden til de energirige elektroner og positroner.

Bjarne Thomsen