Привет из зазеркалья: есть ли в космосе антизвезды

Фото Getty Images
Фото Getty Images
Астрономы из Университета Тулузы назвали 14 объектов, которые могут оказаться антизвездами, и подсчитали, сколько таких светил может быть в Млечном Пути. Результаты этой работы опубликованы в авторитетном журнале Physical Review D, но, чтобы гипотеза подтвердилось, нужно опровергнуть весомые аргументы скептиков

Демон из лаборатории

Все, что нас окружает, включая нас самих, состоит из элементарных частиц. В основном это протоны и нейтроны, составляющие ядра атомов, и электроны, кружащие вокруг этих ядер.

Но человек, сказавший, что у каждой медали есть обратная сторона, определенно кое-что понимал в физике. У каждой частицы есть антипод — соответствующий вид античастиц. Существуют антипротоны, антинейтроны, антиэлектроны (они же позитроны) и так далее. Все вместе они называются антивеществом, или антиматерией.

Античастица совпадает с частицей по массе и остальным параметрам, но имеет противоположный электрический заряд. Экспериментаторы неоднократно объединяли античастицы в антиатомы. Теоретически из антиатомов могли бы получиться антизвезды, антипланеты и антилюди, ведь античастицы взаимодействуют между собой так же, как обычные частицы.

Однако пожать руку антисебе — плохая идея. Когда частица сталкивается со своей античастицей, они уничтожают друг друга, полностью превращаясь в излучение. При этом вся масса переходит в энергию по знаменитой формуле E = mc2. Нетрудно посчитать, что уронить на землю килограмм антиматерии — значит устроить взрыв мощностью в десятки мегатонн.

К счастью, даже самый нерадивый лаборант не сможет сделать ничего подобного. Существующие технологии позволяют получить лишь микроскопические количества антиматерии. Поэтому ее взаимное уничтожение с веществом (аннигиляция) выглядит как крошечная вспышка, фиксируемая только чувствительными приборами.

Но что, если где-то во Вселенной действительно существуют антизвезды и антипланеты? Межзвездное пространство куда более пусто, чем самый глубокий вакуум, полученный в земной лаборатории. На кубический сантиметр космической пустоты в среднем приходится всего один атом газа. Этого явно недостаточно, чтобы уничтожить антизвезду.

Почти пусто: астрономы выяснили, сколько во Вселенной материи

Шансы для антикосмоса

Большинство специалистов относятся к идее существования антизвезд чрезвычайно скептически. Ведь для этого нужно, чтобы одни области космоса были заполнены в основном веществом, а другие — в основном антивеществом.

Очень трудно объяснить, как могла бы сложиться такая ситуация. Наоборот, стандартная модель возникновения Вселенной предполагает, что космос в первые мгновения своей жизни был чрезвычайно однородным. Каждая его точка была похожа на любую другую как две капли воды. Это значит, что антиматерия не могла массово возникать в каких-то частях Вселенной и высокомерно обходить стороной другие.

Более того, вся возникшая антиматерия должна была исчезнуть после столкновения с обычной материей еще в первую минуту существования Вселенной, пока пространство еще не успело толком расшириться и вещество было упаковано гораздо плотнее, чем сейчас.

К слову, из этой теории следует, что материи по какой-то причине образовалось больше, чем антиматерии. Иначе все частицы взаимно уничтожились бы с античастицами, и осталась бы пустая Вселенная, заполненная лишь фотонами. Почему же вещества оказалось больше, чем чрезвычайно похожего на него антивещества? Точного ответа никто не знает, на этот счет есть лишь гипотезы. Так или иначе, очень удачно, что Вселенная оказалась несправедливой и дала частицам численное преимущество над античастицами. Ведь звезды, планеты и мы сами состоим из того самого остатка материи, на который не хватило антиматерии, чтобы его уничтожить.

Итак, доминирующая теория утверждает, что со времен Большого взрыва не должно было остаться никаких запасов антивещества. Вся антиматерия, которая сегодня есть во Вселенной, образовалась позже в результате процессов, происходящих с обычным веществом. Такие процессы известны — это, например, некоторые ядерные реакции. Но ни при каких условиях они не могут произвести столько вещества, чтобы хватило на антизвезду.

Тайна темной энергии: раскрыта ли загадка самого большого резервуара энергии во Вселенной?

Допуская почти невозможное

Однако окончательный судья в данном случае — это эксперимент или наблюдение. Как бы теоретики ни сомневались в существовании антизвезд, главный вопрос в том, видят ли их наблюдатели. В конце концов, открытия темной материи и темной энергии тоже никто не ожидал.

Эксперты из Университета Тулузы спросили себя: как астроном-наблюдатель мог бы отличить антизвезды от обычных звезд? И известны ли нам уже сейчас объекты, которые могут ими оказаться?

Этот вопрос не так прост. Антизвезды должны испускать свет так же, как и обычные светила, так что в оптический телескоп невозможно заметить разницу. Однако природа оставила ученым лазейку.

Вспомним, что в космическом пространстве все же присутствуют атомы межзвездного газа, хотя и в ничтожной концентрации. Это обычное вещество, и, сталкиваясь с субстанцией антизвезд, оно должно превращаться в излучение, а именно в гамма-лучи. Этих столкновений недостаточно, чтобы уничтожить небесное тело, но вполне хватит, чтобы превратить его в яркий источник гамма-лучей.

Исследователи проанализировали каталог из 5787 космических источников гамма-излучения, зарегистрированных орбитальным гамма-телескопом Fermi за десять лет. Они искали потенциальные атизвезды по трем признакам. Во-первых, источник должен быть точечным, а не протяженным, ведь любая звезда при взгляде с орбиты Земли выглядит как точка. Во-вторых, спектр испущенных гамма-фотонов должен быть таким, какой ожидается от антизвезды. И в-третьих, природа источника должна оставаться неизвестной. То есть не годятся объекты, которые надежно идентифицированы как нейтронные звезды, черные дыры или другие хорошо известные астрономам небесные тела.

Эти критерии оказались весьма строгими: из почти 6000 кандидатов им удовлетворили всего 14 штук. Это и есть потенциальные антизвезды.

Подчеркнем, что именно потенциальные. Речь может идти и о традиционных источниках гамма-лучей, таких, как уже упомянутые нейтронные звезды и черные дыры. Прежде чем заявлять об открытии антизвезд, следует проверить эти варианты. Но, по крайней мере, астрономы получили «список подозреваемых», к которым следует приглядеться получше.

Авторы задались еще одним вопросом. Поскольку наблюдатели все еще не уверены в существовании антизвезд, очевидно, что такие тела встречаются нечасто, если вообще встречаются. Если бы каждое десятое или даже тысячное светило было антизвездой, мы бы это уже заметили. Каково же максимальное число антизвезд в галактике?

Расчеты показали, что в галактическом диске, где сосредоточена основная часть звезд и газа, из антиматерии может состоять максимум одно на 400 000 светил. В менее населенных частях галактики их доля может быть выше.

Между прочим, в галактике Млечный Путь сотни миллиардов звезд. Так что оценка 1:400 000 дает миллионы антизвезд. Но на самом деле их может быть куда меньше, или не быть вообще, ведь исследователи рассчитали только верхний предел, а не нижний.

Достигнута сверхпроводимость при комнатной температуре: скоро ли человечеству ждать летающие поезда

Тонкие намеки Вселенной

Отметим, что ученые не просто так занялись этой темой. В 2018 году детектор космических лучей AMS-02 на борту МКС зафиксировал нечто, похожее на ядра антигелия. Соблазнительно было бы предположить, что антигелий (если это действительно он) попадает в космос из антизвезд. Обычная звезда состоит из гелия на 25% и между рождением и смертью рассеивает в межзвездное пространство значительную часть своей массы. Если антизвезды ведут себя так же, то происхождение антигелия становится более чем понятным.

Однако это не единственный возможный источник антиядер. В конце концов, физики получали антигелий на ускорителях. А некоторые космические объекты (например, нейтронные звезды и сверхмассивные черные дыры) ускоряют частицы так, как и не снилось Большому адронному коллайдеру. Так что открытие антигелия в космических лучах, да еще и пока не подтвержденное — скорее слабый намек, чем веское свидетельство в пользу существования антизвезд.

И все же смелая гипотеза заслуживает проверки.

Мнение автора может не совпадать с позицией редакции

Дополнительные материалы

Как проходила посадка ровера Perseverance на Марс и что он там увидел. Фоторепортаж