¿Hay una nube gigante de antimateria en el centro de la Vía Láctea?

Hay antimateria, pero "una nube gigante" es una descripción muy equivocada. Así que aclaremos algunos posibles conceptos erróneos.

La antimateria no es tan inusual de encontrar...

Claro, se aniquila con bastante rapidez cuando interactúa con la materia normal, pero el espacio tiende a estar bastante vacío. Entonces, si creas una partícula de antimateria, puede pasar algún tiempo antes de que pueda encontrar algo con lo que aniquilarla. Además, mucha materia normal engendra antimateria: los núcleos radiactivos con una fracción de positrones/neutrones demasiado alta pueden sufrir una emisión de positrones, donde de hecho emiten una partícula de antimateria.

... Pero debería ser una fracción relativamente pequeña de la materia total.

La "nube" mencionada es una región con más antimateria de lo que podrías esperar ingenuamente, pero no abrumadoramente más. Es una gran región con miles de sistemas estelares, todos comportándose normalmente y, como calcularé más adelante, consiste casi en su totalidad en materia normal, incluso excluyendo las estrellas.

Rastreando la noticia hasta su fuente.

Primero, deberíamos encontrar las publicaciones científicas originales aquí. La historia que vinculó en realidad se basó en este comunicado de prensa de la NASA de 2008 , que a su vez se escribió sobre el artículo de Nature de 2008 " Una distribución asimétrica de positrones en el disco galáctico revelada por$\gamma$-rayos ".

Es de destacar que esta "nube" es una noticia vieja: la señal anormal de antimateria se vio hace décadas. Todo lo que hace este documento es señalar que la señal proviene de una región ligeramente descentrada del centro de la galaxia, lo que podría proporcionar una pista sobre la fuente (más sobre esto más adelante).

¿Cuánta antimateria hay realmente?

El artículo de Nature nos da algunos datos importantes. En primer lugar, la señal de antimateria de interés es la$511\ \mathrm{keV}$línea. Este es el resultado de un positrón ($\mathrm{e}^+$) aniquilando con un electrón ($\mathrm{e}^-$), produciendo dos rayos gamma de alta energía (fotones,$\gamma$):

$$\mathrm{e}^+ + \mathrm{e}^- \to 2\gamma.$$ Ambos rayos gamma tienen una energía de exactamente $511\ \mathrm{keV}$, como se puede demostrar a partir de la simple conservación de la energía y la cantidad de movimiento. Por lo tanto, sabemos que la antimateria es específicamente algunos positrones descarriados (antielectrones), no átomos y moléculas completos y demás.

Dicen que el tamaño de la región de emisión es de aproximadamente$600\ \mathrm{pc}$de ancho, ¹ , por lo que tomaremos su radio como$R = 300\ \mathrm{pc} = 9\times10^{17}\ \mathrm{cm}$También nos dicen que ven un flujo de$F = 1\times10^{-3}\ \mathrm{cm^{-2} s^{-1}}$(fotones por centímetro cuadrado por segundo). Además, citan otro artículo, " Análisis espectral de la Galaxia$\mathrm{e}^+\mathrm{e}^-$emisión de aniquilación", que modeló el medio interestelar y concluyó que en esas condiciones el positrón promedio vagaría por algún tiempo$\tau = 10^5\ \mathrm{yr} = 3\times10^{12}\ \mathrm{s}$.

Dejar$n$sea ​​la densidad numérica de positrones en la "nube". Ahora un volumen$V = (4\pi/3) R^3$tendrá$nV$positrones en él, y habrá una tasa de producción de rayos gamma de$Q = 2nV/\tau$. Si$A = \pi R^2$es el área proyectada de la nube, esperamos observar un flujo de$F = Q/A = 8Rn/3\tau$. Así podemos calcular

$$n = \frac{3\tau F}{8R} \approx 1\times10^{-9}\ \mathrm{cm^{-3}}.$$ La densidad numérica típica del hidrógeno en el espacio interestelar es algo así como $1\ \mathrm{cm^{-3}}$, por lo que los positrones son aproximadamente una parte por mil millones del material interestelar en esta región.

¿De dónde vienen los positrones?

La emoción en estos artículos es la ubicación asimétrica de la nube, como se mencionó anteriormente. En particular, el artículo de Nature afirma que esta asimetría es la misma que se observa en la distribución de las binarias de rayos X cerca del centro de la galaxia. Ahora, las binarias de rayos X son agujeros negros de masa estelar que acumulan material de una estrella compañera, lo que da como resultado un disco de acreción caliente y tal vez algunos chorros relativistas que apuntan a lo largo del eje del disco. Tales condiciones extremas pueden producir positrones, y estos pueden ser expulsados ​​al espacio interestelar, donde persisten durante unos cien mil años.

Se conocen fuentes alternativas. Por ejemplo,${}^{26}\mathrm{Al}$es un isótopo radiactivo producido en algunas supernovas con una vida media de poco menos de un millón de años. Una forma de que decaiga es a través de la emisión de positrones:

$${}^{26}\mathrm{Al} \to {}^{26}\mathrm{Mg}^* + \mathrm{e}^+,$$ donde el estado nuclear excitado ${}^{26}\mathrm{Mg}^*$decae al estado fundamental ${}^{26}\mathrm{Mg}$emitiendo un $1809\ \mathrm{keV}$fotón. De hecho, el artículo de Nature analiza la eliminación de parte de la $511\ \mathrm{keV}$señal basada en lo que $1809\ \mathrm{keV}$la línea nos está hablando de la ${}^{26}\mathrm{Al}$contribución a la población de positrones.

La otra idea intrigante que se ha discutido es que el exceso de rayos gamma observado está relacionado con la aniquilación de la materia oscura. Es decir, la mejor suposición actual que tenemos sobre la naturaleza de la materia oscura es que es una especie de partícula que muy rara vez interactúa con cualquier otra cosa, pero que ocasionalmente puede aniquilarse consigo misma, produciendo fotones o posiblemente otras partículas como positrones.

En resumen...

Hay más positrones en el centro de la galaxia que en cualquier otro lugar en relación con la materia normal, pero siguen siendo una parte minúscula del medio interestelar. Si hubiera un área compuesta principalmente de antimateria, o de materia y antimateria en partes iguales, su superficie o su interior serían increíblemente brillantes, mucho más brillantes que cualquier señal que detectemos.

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¹ Bueno, en realidad dicen que tiene un ancho total angular a la mitad del máximo de$6^\circ$, y que a esa distancia$1^\circ$corresponde a$100\ \mathrm{pc}$.

Esto responde a la parte observacional.

Satélite explica nube gigante de antimateria

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En la década de 1970, detectores de rayos gamma volados en globos descubrieron una enorme nube alrededor del centro galáctico. Esta nube irradia los tipos de rayos gamma que se producen cuando los electrones y los positrones se aniquilan entre sí. La nube en sí tiene aproximadamente 10.000 años luz de diámetro y brilla con la energía de unos 10.000 soles.

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Gracias al satélite Integral, los astrónomos pueden tener una respuesta a su pregunta. Integral, que fue construido y operado por la Agencia Espacial Europea con la ayuda de la NASA, descubrió que la nube de antimateria no está perfectamente centrada en el núcleo galáctico. La nube es más larga en el lado oeste que en el lado este.

Integral también descubrió que ciertos tipos de sistemas estelares binarios se distribuyen de la misma manera. Estos binarios consisten en dos estrellas: una estrella es una estrella normal y la otra es el remanente muerto de una estrella que explotó. Estos remanentes pueden ser las llamadas estrellas de neutrones o agujeros negros. Los agujeros negros y las estrellas de neutrones en estos binarios están robando gas de sus estrellas compañeras, y cuando este gas cae sobre el remanente, se calienta y emite rayos X. Por esa razón, estos sistemas se conocen como binarias de rayos X.

Imagen más grande "Las estimaciones simples sugieren que aproximadamente la mitad y posiblemente toda la antimateria proviene de binarios de rayos X", dice Georg Weidenspointer del Instituto Max Planck de Física Extraterrestre en Alemania, quien es el autor principal del artículo científico del equipo. Este artículo se publica en el número del 10 de enero de 2008 de la revista Nature.

Referencias posteriores :

Integral ha revelado la forma de la misteriosa nube de antimateria en las regiones centrales de la Vía Láctea. La forma inesperadamente torcida es una nueva pista sobre el origen de la antimateria. Las observaciones han desacreditado las posibilidades de que la antimateria provenga de la aniquilación o descomposición de la materia oscura astronómica.

Es fácil generar pares de positrones de electrones una vez que uno tiene rayos X y rayos gamma, como con los binarios. Las reliquias reales de antimateria de la evolución del universo también deberían tener firmas de aniquilación de núcleos, un efecto mucho más energético que la aniquilación de electrones y positrones. Los rayos gamma provenientes de las desintegraciones de pi0 (~ 1/3 de las partículas finales en la aniquilación de protones antiprotón) son energéticos (~70 MeV en el centro de masa) y serían característicos de la aniquilación de una nube. No he oído hablar de tales observaciones.

Usted pregunta:

Además, ¿hay alguna manera rápida y fácil de explicar por qué se cree que la cantidad total de materia en el universo es mayor que la antimateria total (o confirmar que ni siquiera sabemos si eso es cierto o no)?

La respuesta corta es "no sabemos" por qué no hemos visto signos de antimateria en relativa igualdad con la materia. Es un hecho experimental que nuestro universo está hecho de materia, no hemos visto señales de aniquilación primordial.

Existe cierta asimetría entre partículas y partículas en el modelo estándar de física de partículas que explica las observaciones de laboratorio, pero no puede explicar la asimetría primordial. Se están trabajando en teorías, tanto a nivel de partículas elementales como a nivel cosmológico, pero no conozco ninguna exitosa.

Introducción:

Sí, podría ser. Si los astrónomos están seguros de que pueden ver los rayos gamma que se producen en la aniquilación de materia y antimateria, entonces sí. (a menos que los rayos gamma se produzcan en la explosión de una estrella). La energía producida se puede describir usando la ecuación 'más famosa' de Einstein$E=mc^2$(como dice la página que has mencionado)

Ejemplo de aniquilación electrón-positrón:

Como dice su página que ha mencionado, la aniquilación de materia-antimateria se puede describir usando la ecuación de Einstein$E=mc^2$, En esta sección estamos considerando la aniquilación electrón-positrón. Aquí está el diagrama de Feynman para ese evento:

o esta reacción también se puede representar de esta forma:$e^+e^-\rightarrow \gamma\gamma$, Después de la aniquilación producen dos rayos gamma, la energía total producida se ve así$E=2m_ec^2$.

Conclusión:

Entonces, en conclusión, la respuesta es sí, podría ser. Pero podría ser posible que esté mal. Los rayos gamma también pueden ser producidos por supernova o hipernova (explosión de estrellas (a menos que la estrella tenga suficiente energía para producir suficiente antimateria y esa antimateria se encuentre con la materia y ambos se aniquilen y produzcan rayos gamma):

O incluso por un agujero negro en el centro de nuestra galaxia :

(Las luces azules en esta imagen muestran la energía emitida (rayos gamma) por un agujero negro)