π
Υπάρχουν άραγε άστρα αντιύλης στον Γαλαξία μας;
του Αλέξη Δεληβοριά, Διδάκτορα Φυσικής
Η πειραματική διάταξη AMS-02 στον Διεθνή Διαστημικό Σταθμό (ISS) πιθανώς να έχει ανιχνεύσει πυρήνες αντιηλίου. Εάν αυτό επιβεβαιωθεί, η ύπαρξη γειτονικών μας άστρων αντιύλης θα μπορούσε να είναι μία εύλογη υπόθεση για την εξήγηση της προέλευσής τους. Αυτό, τουλάχιστον, υποστηρίζει σε μελέτη της ομάδα αστρονόμων στο Πανεπιστήμιο της Τουλούζης, οι οποίοι μάλιστα εικάζουν ότι οι πυρήνες αντιηλίου θα μπορούσαν να προέρχονται από 14 άστρα αντιύλης του Γαλαξία μας.
Πρέπει να πούμε εξαρχής ότι η ύπαρξη των άστρων αντιύλης παραμένει ένα ιδιαίτερα αμφιλεγόμενο και υποθετικό σενάριο και ότι η μελέτη αυτή δεν αποδεικνύει κατά κανέναν τρόπο ότι τα παράξενα αυτά αντικείμενα όντως υπάρχουν. Αποτελεί, ωστόσο, μία ανάλυση σε ένα ενδιαφέρον ερώτημα: εάν όντως υπάρχουν, πόσα μπορεί να είναι, πού βρίσκονται και πώς θα μπορούσαμε να τα ανακαλύψουμε. Υπό την προϋπόθεση, λοιπόν, ότι υπάρχουν, ένας πιθανός τρόπος μελλοντικής τους ανακάλυψης βασίζεται στην ανίχνευση ασθενών εκπομπών ακτίνων γ, οι οποίες εκλύονται κατά την εξαΰλωση σωματιδίων της μεσοαστρικής ύλης, τα οποία πέφτουν πάνω τους.
Τα σωματίδια της αντιύλης είναι «κατοπτρικά» σωματίδια της ύλης με την ίδια ακριβώς μάζα, αλλά αντίθετο φορτίο, ενώ, όπως και τα σωματίδια της «συνηθισμένης» (βαρυονικής, όπως ονομάζεται) ύλης, μπορούν να ενωθούν μεταξύ τους σχηματίζοντας πυρήνες ή/και άτομα αντιύλης. Επιπλέον, όταν δύο σωματίδια ύλης και αντιύλης έρθουν σε επαφή μεταξύ τους, εξαϋλώνονται σε καθαρή ενέργεια. Εξαιρουμένης, ωστόσο, της σκοτεινής ύλης, το Σύμπαν που παρατηρούμε φαίνεται ότι αποτελείται αποκλειστικά από βαρυονική ύλη, διότι σε διαφορετική περίπτωση οι ενεργητικές εκπομπές ακτίνων γ που θα παράγονταν από την εξαΰλωση μεγάλων ποσοτήτων ύλης και αντιύλης θα έπρεπε να είναι ανιχνεύσιμες. Παρολ’ αυτά, υπάρχουν φυσικές διεργασίες οι οποίες παράγουν με φυσικό τρόπο αντιύλη, όπως κατά την διάσπαση ορισμένων ραδιενεργών ισοτόπων και τις συγκρούσεις κοσμικών ακτίνων, οι οποίες αποτελούνται κατά κύριο λόγο από υψηλής ενέργειας πρωτόνια.
Η παραγωγή τους στο εργαστήριο, από την άλλη, είναι ιδιαίτερα δύσκολη και δαπανηρή. Για παράδειγμα, ο πυρήνας του αντιηλίου-4 είναι ο βαρύτερος αντιπυρήνας που έχει δημιουργηθεί μέχρι σήμερα στο εργαστήριο, ένα επίτευγμα που υλοποιήθηκε το 2011, σε συγκρούσεις σωματιδίων στον Σχετικιστικό Επιταχυντή Βαρέων Ιόντων (RHIC) του Εθνικού Εργαστηρίου Brookhaven.
Ένα από τα μεγαλύτερα και άλυτα ακόμη προβλήματα που αντιμετωπίζει η θεωρητική φυσική και η κοσμολογία σήμερα είναι η επονομαζόμενη ασυμμετρία ύλης και αντιύλης. Το γεγονός, δηλαδή, ότι το Σύμπαν φαίνεται να αποτελείται αποκλειστικά από ύλη, ενώ θα περιμέναμε να έχουν σχηματιστεί ίσες ποσότητες ύλης και αντιύλης μετά την Μεγάλη Έκρηξη, κατά την εξαΰλωση των οποίων το Σύμπαν θα έμενε γεμάτο ακτινοβολία, αλλά κενό από ύλη. Δεδομένου, ωστόσο, ότι ζούμε σε ένα Σύμπαν που εμπεριέχει βαρυονική και σκοτεινή ύλη, θα πρέπει να τέθηκε σε λειτουργία ένας φυσικός μηχανισμός, μέσω του οποίου δημιουργήθηκε ένα ελάχιστα μεγαλύτερο πλεόνασμα ύλης, απ’ το οποίο προέρχονται όλα τα άστρα και όλοι οι γαλαξίες που παρατηρούμε στο Σύμπαν. Η αποκρυπτογράφηση αυτού του μηχανισμού είναι σήμερα μία από τις μεγαλύτερες προκλήσεις που αντιμετωπίζει η Φυσική.
Αξίζει να πούμε εδώ ότι την εποχή που δημιουργήθηκαν για πρώτη φορά στο εργαστήριο πυρήνες αντιηλίου, ορισμένοι επιστήμονες υποστήριζαν ότι εάν διαπιστώναμε πως τα αντισωμάτια αυτά προέρχονται από το βαθύ Διάστημα, τότε το πιθανότερο είναι ότι θα πρέπει να παράγονται από αντιδράσεις σύντηξης στο εσωτερικό άστρων αντιύλης. Το 2018, ωστόσο, όταν οι επιστήμονες που ανέλυαν τα δεδομένα του ανιχνευτή AMS-02 στον ISS ανακοίνωσαν με επιφύλαξη την πιθανή ανίχνευση 8 πυρήνων αντιηλίου σε κοσμικές ακτίνες (6 πυρήνων αντιηλίου-3 και δύο πυρήνων αντιηλίου-4), αυτές οι ανεπιβεβαίωτες μέχρι τώρα ανιχνεύσεις αποδόθηκαν αρχικά στην αλληλεπίδραση των κοσμικών ακτίνων που συγκρούονταν με τα μόρια της μεσοαστρικής ύλης.
Μετέπειτα έρευνες από επιστήμονες, όπως η Vivian Poulin, αμφισβήτησαν το πιο πάνω συμπέρασμα, με το σκεπτικό ότι όσο μεγαλύτερος είναι ο αριθμός των αντι-νουκλεονίων (αντιπρωτόνια και αντινετρόνια) που εμπεριέχει ένας πυρήνας αντιύλης, τόσο πιο δύσκολα μπορεί να σχηματιστεί από συγκρούσεις κοσμικών ακτίνων. Η ομάδα της Poulin, ειδικότερα, υπολόγισε ότι το αντιήλιο-3 δημιουργείται από κοσμικές ακτίνες με ρυθμό 50 φορές μικρότερο από αυτόν που ανιχνεύεται στο πείραμα AMS-02, ενώ το αντιήλιο-4 σχηματίζεται με ρυθμό 105 φορές μικρότερο.
Κάπως έτσι, λοιπόν, και παρόλο που οι περισσότεροι επιστήμονες είναι πεπεισμένοι ότι το Σύμπαν ουσιαστικά δεν εμπεριέχει καθόλου αντιύλη σήμερα, επανήλθε στο προσκήνιο αυτό που εξαρχής έμοιαζε εντελώς απίθανο, ότι δηλαδή το αντιήλιο που ανιχνεύθηκε στον ISS προέρχεται από άστρα αντιύλης. Φυσικά, η οριστική και πέραν πάσης αμφιβολίας ανακάλυψη αντιηλίου, που θα επιβεβαιώσει την (με αρκετά ερωτηματικά) ανίχνευσή του στον Διεθνή Διαστημικό Σταθμό, είναι απολύτως απαραίτητη, εάν θέλουμε να διερευνήσουμε σοβαρά αυτή την πιθανότητα.
Για να επανέλθουμε, ωστόσο, στην αρχική μελέτη, οι αστρονόμοι Dupourqué, Tibaldo και von Ballmoos υποστήριξαν ότι οι πυρήνες αντιηλίου που (πιθανώς να) ανιχνεύθηκαν στον ISS θα μπορούσαν να προέρχονται από 14 «υποψήφια» άστρα αντιύλης. Τα «αντιάστρα» αυτά απομονώθηκαν ανάμεσα σε συνολικά 5787 πηγές ακτίνων γ, οι οποίες καταγράφηκαν από το διαστημικό τηλεσκόπιο Fermi σε διάστημα 10 ετών και επέτρεψαν στους τρεις αστρονόμους να θέσουν συγκεκριμένους περιορισμούς ως προς τον πιθανό πληθυσμό των «αντιάστρων» του Γαλαξία μας.
Σύμφωνα με την ανάλυση των τριών αστρονόμων, εάν τα άστρα αντιύλης σχηματίστηκαν στον σπειροειδή δίσκο του Γαλαξία μαζί με τα κανονικά άστρα, τότε σε κάθε 400.000 «κοινά» άστρα του Γαλαξία θα πρέπει να αντιστοιχεί και ένα άστρο αντιύλης. Αντιθέτως, εάν τα άστρα αντιύλης έχουν αρχέγονη προέλευση και σχηματίστηκαν στο πρώιμο Σύμπαν, όταν δηλαδή ο Γαλαξίας μας διένυε τα πρώτα στάδια του σχηματισμού του, τότε ακόμη και το ένα πέμπτο των άστρων που εμπεριέχει η γαλαξιακή άλως θα μπορούσε να απαρτίζεται από αντιύλη. Η Poulin, η οποία δεν συμμετείχε στην σχετική μελέτη, συμφωνεί ότι εάν τα άστρα αντιύλης όντως υπάρχουν, η αρχέγονη προέλευσή τους είναι πιο πιθανή.
Δεδομένου, φυσικά ότι τα άστρα αντιύλης είναι ακόμη υποθετικά, το πιθανότερο είναι ότι οι 14 αυτοί υποψήφιοι θα αποδειχθούν ότι είναι άλλα ουράνια σώματα, λιγότερο «εξωτικά». Σύμφωνα με τους Dupourqué, Tibaldo και von Ballmoos, ένα βήμα προς αυτή την κατεύθυνση θα είναι και η διερεύνηση για το εάν οι υποψήφιοι αυτοί εκπέμπουν ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία και σε μήκη κύματος διαφορετικά από τις ακτίνες γ. Γιατί σε αυτή την περίπτωση, τα 14 υποψήφια άστρα αντιύλης θα μπορούσαν να είναι ενεργοί γαλαξιακές πυρήνες ή πάλσαρ.
Επομένως, υπάρχουν τελικά άστρα αντιύλης ή όχι; Στους επόμενους μήνες, θα υλοποιηθεί στην Ανταρκτική το πείραμα GAPS, το οποίο θα συμβάλει κι αυτό στην αναζήτηση αντισωματιδίων στις κοσμικές ακτίνες. Ο ανιχνευτής GAPS, που θα αιωρείται με την βοήθεια ειδικού μπαλονιού σε μεγάλο υψόμετρο πάνω από τους πάγους της Ανταρκτικής, έχει ως κύριο στόχο την έμμεση ανίχνευση των επονομαζόμενων WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles, δηλαδή Ασθενώς Αλληλεπιδρώντα Βαρέα Σωματίδια), μέσα από την ανίχνευση των αντισωματιδίων που παράγονται κατά την εξαΰλωση ή διάσπασή τους. Παρόλο που δεν έχουν ακόμη ανιχνευθεί WIMPs, οι περισσότεροι αστρονόμοι τα συγκαταλέγουν ανάμεσα στους επικρατέστερους υποψήφιους για την μη βαρυονική σκοτεινή ύλη. Ωστόσο, ένας δεύτερος στόχος του πειράματος θα είναι και η ανεξάρτητη επιβεβαίωση της ανίχνευσης πυρήνων αντιηλίου από τον ανιχνευτή AMS-2 του ISS, η οποία προς το παρόν πρέπει να αντιμετωπίζεται με επιφύλαξη. Εάν, όμως, το πείραμα GAPS ανιχνεύσει και αυτό πυρήνες αντιηλίου, τότε το υποθετικό ακόμα σενάριο της ύπαρξης άστρων αντιύλης θα αποκτήσει κάπως ισχυρότερα ερείσματα.
Η σχετική έρευνα δημοσιεύθηκε στο επιστημονικό περιοδικό Physical Review D.
Are antimatter stars firing bullets of antihelium at Earth? – Physics World
Μπορείτε να αντλήσετε περισσότερες πληροφορίες για την σκοτεινή ύλη από το βιβλίο της ψηφιακής παράστασης με τίτλο «Αναζητώντας την Σκοτεινή Ύλη», στον ακόλουθο σύνδεσμο:
anazhtwntas-thn-skoteinh-ulh_web.pdf (eef.edu.gr)
Φωτογραφία: ηλεκτρόνια (μπλε) και τα αντισωματίδιά τους ποζιτρόνια (κόκκινο) αλληλεπιδρούν γύρω από ένα πάλσαρ, σε στιγμιότυπο προσομοίωσης.
Credit: NASA's Goddard Space Flight Center
π
