Антиматерія для багатьох людей асоціюється з фантастикою. У Всесвіті її існує, здається, мізерна кількість, хоча за розрахунками астрофізиків, після Великого вибуху матерія й антиматерія повинні були появитися приблизно в однакових пропорціях. Натомість учені часто створюють частинки антиматерії у своїх прискорювачах – колайдерах. Коли матерія зустрічається з антиматерією, вони взаємно анігілюють, випромінюючи енергію. Пояснення, чому Всесвіт утворений здебільшого з матерії, а антиматерія у ньому практично відсутня, за винятком її спорадичного утворення у космічних променях, штучних колайдерах і поки що гіпотетичних взаємодіях частинок з темною матерією, полягає у тому, що у ранній період його існування унаслідок процесу, званого порушенням CP-інваріантності, виник невеликий надлишок матерії. Як наслідок, майже уся матерія й антиматерія взаємно знищили одна одну, окрім тієї частки матерії, яка залишилася і з якої, власне, утворений видимий Всесвіт.
Саме тому науковців так заінтриґували дані магнітного альфа-спектрометра (AMS) – фізичного приладу на борту Міжнародної космічної станції, за допомогою якого вивчають склад космічних променів, – який у 2018 р. детектував два ядра антигелію, окрім шести, які, можливо, були детектовані раніше. Причина здивування у тому, що жоден із відомих науці природних процесів не може породжувати антиматерію у достатній кількості, щоб її підхопили наші космічні детектори. Найпростіше пояснення водночас є найнеймовірнішим: ядра антигелію могли утворитись всередині антизірок! Хоча дані AMS ще потребують підтвердження і формально не опубліковані, окремі вчені поставилися до них дуже серйозно і спробували порахувати, скільки у Всесвіті повинно існувати гіпотетичних антизірок, щоб ми могли отримувати від них такі сигнали.
Ґрунтуючись на даних AMS, а також інформації про об’єкти, які потенційно можуть бути антизорями, зібраної за допомогою Космічної гамма-обсерваторії Фермі (LAT) за понад десятиліття спостережень, Саймон Дюпур, науковець з Дослідницького інституту астрофізики та планетології Тулузького університету (Франція), та його колеги запропонували приблизну оцінку їхньої кількості.
Антизорі повинні світити так само, як звичайні зірки, випромінюючи світло однакової довжини хвилі. Але оскільки вони мають існувати у Всесвіті, в якому переважає матерія, то його частинки звичайної матерії, потрапляючи на поверхню антизірок, повинні породжувати високоенергетичні спалахи. Такі спалахи можна детектувати за специфічною частотою гамма-випромінювання. За десятиліття спостережень LAT ідентифікувала приблизно шість тисяч об’єктів, які випромінювали саме такі гамма-кванти. Команда Дюпура проаналізувала, які з них точно можна ідентифікувати як звичайні об'єкти. «Ми виключили лише 14 об’єктів, які точно не є антизорями, – каже дослідник. – Якщо всі решта таки справді є антизорями, то одна така зоря у Всесвіті повинна існувати приблизно на 400 тисяч звичайних зірок». [Якщо врахувати, що у Чумацькому Шляху від 100 до 400 млрд зірок, то лише у нашій галактиці повинно бути від 250 тисяч до мільйона антизір, – прим. перекл.]
Однак зафіксовані гамма-спалахи можуть також походити від пульсарів або надмасивних чорних дір. Крім того, вони можуть бути якимсь різновидом «шуму» детектора. Тож тепер потрібно навести телескоп на 14 кандидатів, які залишилися, щоб пересвідчитися, чи справді вони нагадують зірку чи якесь інше відоме джерело гамма-променів.
Обчислення верхнього ліміту ймовірної кількості антизірок, щоправда, ще не свідчить про відкриття цих астрономічних об’єктів. «Згідно як з теорією, так і зі спостереженнями, у нашій галактиці не повинно бути жодних антизірок. Верхній ліміт – нуль», – стверджує Флойд Стекер, астрофізик з Центру космічних польотів імені Ґоддарда, який не брав участі у дослідженні. Однак, за його словами, «щоб бути переконаним у чому-небудь, завжди потрібні дані».
Якщо науковці налаштовані скептично до самої можливості існування антизір, то чому їх взагалі почали всерйоз обговорювати? Причина – у тих самих надокучливих даних AMS, які досі не мають пояснення. Античастинки можуть походити лише з двох природних джерел – космічних променів та темної матерії, – але шанси, що саме вони породили сигнал, який підхопив AMS, нікчемно малі.
Річ у тім, що ймовірність утворення частинок антиматерії зменшується разом зі збільшенням їхнього розміру. «Хоча фізика прямо не забороняє утворення композитних частинок антиматерії, такі події повинні бути неймовірно рідкісними», – стверджує Вівіан Пулен, фізик з Національного центру наукових досліджень Франції. Антипротони утворюються відносно просто, проте вже антидейтерій – частинка, утворена з антипротона та антинейтрона, – повинен бути доволі рідкісним. AMS же підходив анти-альфа-частинку – ядро антигелію, що складається одразу з двох антипротонів та двох антинейтронів. Шанси утворення такої частинки у природі – як у космічних променях, так і в темній матерії (цей процес узагалі є суто гіпотетичним) – практично нульові.
Саме тому фізики всерйоз розглядають гіпотезу антизір. Хоча AMS є поки що єдиним експериментом, що отримав такі дані, які, крім того, ще не пройшли формального рецензування, детектування більшої кількості таких частинок може стати сильним аргументом на користь цієї гіпотези. Зрештою, ці дані узагалі можуть бути похибкою.
Семуел Тінґ, фізик із Массачусетського технологічного інституту та лауреат Нобелівської премії, який очолює експеримент AMS і першим повідомив про детектування ядер антигелію, відмовився підтверджувати чи спростовувати достовірність цих даних до отримання додаткової інформації: «Ми ще поки не готові опублікувати однозначні висновки щодо антиматерії. Ми зробимо це тоді, коли зберемо більше доказів».
Можливо, інший експеримент – загальний спектрометр античастинок (GAPS) – проллє більше світла. GAPS – це детектор на повітряній кулі, який шукатиме античастинки над Антарктикою і повинен запрацювати вже цього року. Дані, отримані від двох обсерваторій, будуть набагато переконливішими.
Якщо ці частинки і справді походять від антизір, то це потягне за собою перегляд усієї еволюції Всесвіту. Фізики більше не зможуть відсувати гіпотетичні об’єкти, утворені з антиматерії, на марґінес свого теоретизування. Проте навіть якщо такі зорі існують, вони, найімовірніше, більше не формуються, адже гіпотетичні хмари з антиводню, з яких вони могли б виникнути, мали б давно зникнути унаслідок анігіляції за 13 млрд років існування Всесвіту. Такі зорі мали б бути реліктами раннього Всесвіту, які дивом вціліли до наших часів. А це, зі свого боку, ставить вчених перед наступним запитанням: як? Як вони могли зберегтися? Як часто буває в науці, відкриття ставлять набагато більше запитань, ніж дають відповідей.
Leto Sapunar
Stars Made of Antimatter Might Be Lurking in the Universe
Scientific American, 07/06/2021
Зреферував Є. Л.
09.06.2021