Нейтронные звезды. Как понять зомби из космоса

Когда данные, полученные командой проекта PAMELA, были опубликованы и продемонстрировали избыток позитронов, Хупер стал одним из первых в научном сообществе, кто отреагировал на это. Его первой мыслью была идея о том, что источником этих избыточных позитронов могла быть та самая темная материя, которую он искал всю свою жизнь. У ученых имеется ряд теорий насчет того, что может представлять собой темная материя, и одна из наиболее широко распространенных концепций заключается в том, что темная материя состоит из вимпов (WIMP, Weakly Interacting Massive Particle), слабо взаимодействующих массивных частиц. Один из типов вимпов – это гипотетические нейтралино, и Хупер предположил, что эти нейтралино могут время от времени сталкиваться и при своей аннигиляции производить потоки экзотических частиц, которые затем могут распадаться на обычные элементарные частицы – электроны и позитроны – и обеспечивать наблюдаемый избыток позитронов. Согласно такой гипотезе, эти электроны и позитроны, движущиеся почти со скоростью света, затем закручиваются по спирали вокруг силовых линий галактического магнитного поля, генерируя так называемое синхротронное излучение (излучение электромагнитных волн). На этих электронах также рассеиваются фотоны низкой частоты, которые составляют свет окружающих звезд, и в результате этого процесса, называемого обратным комптоновским рассеянием, эти фотоны превращаются в гамма-кванты с высокими энергиями.

Хуперу хотелось бы думать, что это сигнал от темной материи, но он не был в этом уверен, поэтому рассмотрел также и альтернативную причину избытка позитронов, источником которых могли быть пульсары. Согласно этому сценарию, мощные магнитные поля нейтронных звезд, вращающиеся вместе с ними, создают электрические поля, которые “вытаскивают” электроны с поверхности пульсаров и ускоряют их. Когда эти электроны с высокими энергиями попадают в магнитные поля, они испускают высокоэнергетические гамма-кванты, точно так же как и в сценарии с темной материей. А когда они покидают магнитное поле пульсара и начинают распространяться по пространству, часть их может спонтанно превратиться в электрон-позитронные пары.

Не меньше Хупера этой проблемой были заинтригованы и многие другие физики. В течение десяти лет после того, как данные PAMELA опубликовали, вышло более тысячи статей, в которых авторы пытались объяснить эту загадку. Большинство авторов придерживалось гипотезы пульсарного происхождения гамма-излучения, но, чтобы доказать ее, нужно убедиться, что эти гамма-лучи излучаются пульсарами, а затем определить, сколько электронов и позитронов потребовалось бы, чтобы произвести такое количество высокоэнергетических гамма-квантов, и можно ли ими объяснить наблюдаемый излишек.

В 2017 году Хупер и несколько его коллег придумали, как решить эту задачу. Они вспомнили еще об одном детекторе, преемнике Milagro, – обсерватории HAWC

(High Altitude Water Cherenkov Experiment, “высотная водная обсерватория имени Черенкова”), расположенной возле Пуэблы, Мексика, строительство которой было завершено в 2015 году. В обсерватории HAWC наблюдали два соседних пульсара – Гемингу и Monogem ring

(некоторые называют его просто Monogem), расположенные на расстоянии менее чем тысяча световых лет от Земли. Их относительная близость к нам важна, потому что электроны с энергиями порядка ТэВ не могут переместиться очень далеко от источника, поскольку быстро теряют большую часть своей энергии в магнитных полях нашей Галактики, а также из-за рассеяния света звезд.

HAWC обнаружил обширное гало вокруг этих двух пульсаров, излучающее гамма-лучи высокой – тераэлек-тронвольтной – энергии. Эти гамма-лучи могли образоваться, когда электроны и позитроны высокой энергии, вылетающие из пульсаров, взаимодействовали с фотонами низкой энергии, испускаемыми близлежащими звездами. При столкновениях электроны могли передать фотонам много энергии (подобно тому как клюшка для гольфа передает энергию мячу, отправляя его на другую сторону поля). Ученые проанализировали данные HAWC и рассчитали светимость обоих источников. Они сравнили яркость двух пульсаров с яркостью их гало и определили, какая часть энергии пульсара преобразуется в электроны и позитроны. Оказалось, что эта часть составляет примерно 10 %– и этого, по словам Хупера, практически достаточно, чтобы объяснить наблюдаемый избыток позитронов. Он сказал, что это стало завершающим доказательством.