Учени от МКС попаднаха на следи от антиматерия

Учените от Международната космическа станция за първи път изследват подробно космическите антипротони, като ги наблюдават през целия 11-годишен цикъл на слънчевата активност. Изследването на тези редки форми на материя ще помогне да се разбере структурата на хелиосферата – гигантска област от пространството около Слънцето с размер 122 астрономически единици (всяка такава единица е равна на средното разстояние от Земята до Слънцето).

Този космически мехур е запълнен предимно със слънчева плазма, но в него летят и други заредени обекти. Някои от тях, с по-малка енергия летят от Слънцето, а други, като електроните от магнитосферата на Юпитер идват от страната на планетите. Най-интересни обаче са галактическите космически лъчи, които достигат до нас извън Слънчевата система. Те са предимно протони и електрони и техните античастици.

Мощността им е огромна: от няколко мегаелектронволта до екзаелектронволта. В горната част на този диапазон един-единствен протон носи толкова кинетична енергия, колкото бейзболна топка след силно хвърляне от страна на питчер.

Учените използваха алфа-магнитния спектрометър (AMS), инсталиран на МКС. Досега те можеха да измерват само потока на антипротоните, осреднен за няколко години. Сега обаче те успели да ги записват на всеки 27 дни по време на целия слънчев цикъл. В същото време инструментът едновременно наблюдаваше и другите компоненти на космическите лъчи – протони, електрони и позитрони.

Повечето галактически космически лъчи се раждат при експлозии на свръхнови в Млечния път, въпреки че най-енергичните могат да идват и от други галактики. Изучавайки ги, физиците научават какво се случва в най-отдалечените краища на космоса. Особено важни са антипротоните с определени енергии – техният необичайно висок брой би могъл да свидетелства за съществуването на тъмна материя и нейното анихилиране.

Въпреки това е много трудно да се видят такива сигнали: докато материята лети през хелиосферата, тя постоянно се сблъсква с всевъзможни препятствия. Колебанията в хелиосферното магнитно поле изтласкват протоните и електроните от пътя и те започват да се движат хаотично, както при дифузията. Освен това самото поле ги кара да се носят в различни посоки – къде точно, зависи от заряда.

Картината се усложнява от факта, че силата на магнитното поле се променя с 11-годишния цикъл на слънчевата активност, а полярността му – с 22-годишния цикъл.

Когато полярността е положителна, магнитното поле в северното полукълбо на хелиосферата е обърнато встрани от Слънцето, докато в южното полукълбо е обърнато към него. През такива периоди положително заредената материя се движи към Слънцето от полюсите на хелиосферата и встрани от него по протежение на специална област – хелиосферния токов слой, който разделя областите с различна полярност. Когато полярността се обърне, всички посоки на дрейфа стават противоположни, а отрицателно заредените компоненти на космическите лъчи – електроните и антипротоните – винаги се движат в противоположна посока в сравнение с протоните и позитроните при същия поляритет на магнитното поле.

Поради всички тези явления първоначалният поток от галактически космически лъчи, който бихме наблюдавали в междузвездното пространство е забележимо по-слаб. Физиците наблюдават промяната още от 50-те години на миналия век: улавят вторични неутрони, продукти на космическите лъчи, които се сблъскват със земната атмосфера.

Космическата радиация пристига най-много в периодите на спокойствие на Слънцето и най-малко по време на неговата активност. Това е особено забележимо за нискоенергийните компоненти. В същото време периодите с висока интензивност по време на спокойното Слънце се редуват: след силен взрив идва слаб, след това отново силен – и така в кръг. Данните от AMS показаха, че антипротоните се подчиняват на същите правила като другите космически лъчи. Колкото по-висока е енергията на материята, толкова по-малко тя се влияе от дрейфа и други ефекти. Тези открития ще помогнат да се проверят съществуващите теории и да се опише по-точно как космическата материя се движи в хелиосферата.

Особено ценно е, че вече е възможно да се проследяват едновременно материя и антиматерия.

Сравнявайки протоните и антипротоните, учените ще могат да разберат по-добре как работят различните механизми: хаотичното движение, което доминира, когато Слънцето е активно, и дрейфа, който играе основна роля, когато нашето светило е спокойно. Когато физиците разберат по-добре как слънчевата активност влияе на космическите лъчи, те ще могат да отделят тези ефекти от други явления, които също променят наблюдавания спектър на излъчване. В крайна сметка това ще помогне да се забележат фините проявления на нови физични закони, включително тези, свързани с тъмната материя.