Избыток позитронов высоких энергий оказался не связан с темной материей

Последние годы в астрофизике существовала необъясненная проблема превышения количества высокоэнергетических позитронов по сравнению с их античастицами — электронами. Было предложено несколько возможных объяснений, в том числе связанное с аннигиляцией частиц темной материи. В новой работе астрофизики, используя данные новых наблюдений, объяснили этот эффект «по большей части, если не полностью» влиянием пульсаров. Работа выложена в репозиторий препринтов arXiv.

Позитроны рождаются при взаимодействии космических лучей (высокоэнергичных протонов и других тяжелых частиц) с частицами межзвездной среды. Общепринятые астрофизические модели предсказывают уменьшение доли позитронов относительно электронов при увеличении энергии. Однако за последние 10 лет несколько космических обсерваторий, в том числе детектор AMS на МКС, зафиксировали повышение доли позитронов при энергиях между 10 ГэВ и несколькими сотнями ГэВ.

В новой работе ученые взяли за основу данные Высокогорного эксперимента по поиску эффекта Черенкова (High-Altitude Water Cherenkov Observatory — HAWC). «До этих данных мы не знали, ответственны ли пульсары за 0,1% избытка или за 100%, — говорит ведущий автор работы Дэн Хоппер из американского института Фермилаб. — Теперь мы знаем, что им мы обязаны за большую часть эффекта, вполне вероятно, что за весь».

Авторы исследовали как конкретные пульсары — быстровращающиеся замагниченные нейтронные звезды — производят электрон-позитронные пары. Они анализировали гамма-излучение близких пульсаров Геминга и B0656+14. Вокруг них было обнаружено гало размером несколько световых лет, которое являлось источником жесткого излучения. Хоппер утверждает, что «единственное разумное объяснение» такого протяженного источника — это постоянный поток электронов и позитронов высоких энергий, который увеличивает энергию встречающихся фотонов за счет обратного эффекта Комптона.

Это позволило оценить количество электронов и позитронов очень высоких энергий в десятки тысяч ГэВ. Воспользовавшись моделями излучения и экстраполировав анализ на все пульсары в Млечном Пути (их количество оценивается в несколько тысяч), авторы получили примерно равный наблюдаемому избыток позитронов нужных энергий. Основным источником неопределенности в данной работе является точность моделей излучения пульсаров, которые должны существенно уточнится после введения в строй гамма-обсерватории нового поколения — Массива черенковских телескопов.