راز نشت پادماده از راه شیری در پرتوهای گاما

فوتون‌های پرتو گاما را مانند اثر انگشتی تصور کنید که وقتی ماده با تصویر آینه‌ای خود روبه‌رو می‌شود، برجا می‌ماند. این نشانه‌ها در انرژی بسیار مشخصی ظاهر می‌شوند، یعنی ۵۱۱ کیلوالکترون‌ولت، و نابودی یک پوزیترون و یک الکترون را نشان می‌دهند. اخترشناسان دهه‌هاست این اثر انگشت‌ها را در سراسر راه شیری دنبال می‌کنند تا مشخص کنند کهکشان ما پادماده خود را کجا تولید می‌کند. اما این نقشه هیچ‌وقت کاملا با داده‌ها جور درنیامده است.

مسئله را می‌توان ساده بیان کرد، اما حل آن بسیار دشوار است: ما تابش ناشی از نابودی پوزیترون را بسیار بیش از آنچه منابع متعارف، مانند ابرنواخترها، تپ‌اخترها، سیاه‌چاله‌ها و ایزوتوپ‌های پرتوزای شناخته‌شده، ظاهرا قادر به تولیدش هستند، مشاهده می‌کنیم. این همه پوزیترون از کجا می‌آید؟ و پیش از آنکه با یک الکترون برخورد کند و در درخششی از پرتوهای گاما ناپدید شود، چه مسافتی را طی می‌کند؟

کارآگاهی علمی تازه با تکیه بر دو دهه رصد رصدخانه پرتو گامای اینتگرال وابسته به آژانس فضایی اروپا، این معما را به مسیری شگفت‌انگیز سوق داده است. وقتی پژوهشگران کل مجموعه داده‌های این تلسکوپ را کنار هم قرار دادند، الگوهایی در مکان‌هایی غیرمنتظره آشکار شد؛ سیگنال‌هایی که نه از صفحه شلوغ کهکشانی، بلکه از ارتفاعات بسیار بالاتر از آن می‌آمدند و با جریان‌های بزرگ گاز در هاله کهکشانی ارتباط داشتند.

دو ناحیه برجسته‌تر از بقیه بودند. یکی مجموعه C است، ابری عظیم از گاز هیدروژن که به سوی راه شیری فرو می‌ریزد. دیگری به جریان ماژلانی بازمی‌گردد، دنباله بلند گازی که نیروهای کشندی از ابرهای ماژلانی کوچک و بزرگ بیرون کشیده‌اند. هیچ‌یک از این ابرها به‌طور طبیعی کارخانه تولید پوزیترون نیستند. با این حال هر دو درخشش کم‌نور و آشکارکننده فوتون‌های ۵۱۱ کیلوالکترون‌ولتی را نشان می‌دهند.

این ترکیب، روایت متفاوتی را تقویت می‌کند: پوزیترون‌ها درون کهکشان زاده می‌شوند و سپس مسافت‌های طولانی را می‌پیمایند؛ از قرص کهکشانی می‌گریزند و هنگامی که سرانجام نابود می‌شوند، هاله را روشن می‌کنند. به بیان دیگر، راه شیری شاید پادماده را به حاشیه‌های خود نشت می‌دهد و نابودی پوزیترون را فقط به نواحی مرکزی شلوغی که نخستین‌بار این افزونی را در آن‌ها دیدیم، محدود نمی‌کند.

اگر این تفسیر درست باشد، کهکشان می‌تواند حدود دو تا سه برابر بیشتر از برآوردهای پیشین پوزیترون تولید کند؛ تغییری عظیم در مقیاس پدیده‌ای که دهه‌ها اخترشناسان را سردرگم کرده است.

دانشمندان با احتیاط عمل کردند. آن‌ها داده‌های اینتگرال را به بخش‌های جداگانه تقسیم کردند، تصاویر را در بازه‌های زمانی مختلف بازسازی کردند و سال‌ها رصد را روی هم افزودند تا ببینند آیا سیگنال‌ها پایدار می‌مانند یا نه. سیگنال‌ها باقی ماندند. این الگو با انباشته شدن داده‌های بیشتر قوی‌تر می‌شود و همین موضوع احتمال خطاهای ابزاری یا نویز تصادفی را کم‌رنگ می‌کند. از نظر آماری، این آشکارسازی در حدود چهار سیگما قرار دارد؛ بعید است تصادفی باشد، اما هنوز به آستانه پنج سیگمایی که در اخترفیزیک پرانرژی معمولا برای اعلام یک کشف رسمی لازم است، نرسیده است.

پس چه چیزی می‌تواند این تعداد پوزیترون متحرک تولید کند؟ موتورهای اخترفیزیکی شناخته‌شده بی‌تردید سهم دارند، اما کافی نیستند. یا منابع آشنا پوزیترون‌ها را با سرعت‌ها یا سازوکارهای انتقالی تزریق می‌کنند که ما آن‌ها را دست‌کم گرفته‌ایم و به پوزیترون‌ها امکان می‌دهند همراه بادهای کهکشانی و میدان‌های مغناطیسی به هاله برسند، یا مشارکت‌کنندگان ناشناخته‌ای وجود دارند؛ شاید فیزیک ذرات نامتعارف یا جمعیت‌هایی شناسایی‌نشده از اجرام فشرده.

پاسخ‌ها به ابزارهایی با دید دقیق‌تر وابسته خواهد بود. مجموعه داده‌های طول عمر اینتگرال نخستین نشانه را فراهم کرد که پادماده می‌تواند از قرص کهکشانی بگریزد. پرده بعدی به نسل تازه‌ای از ابزارها تعلق دارد. تلسکوپ و طیف‌سنج کامپتون برنامه‌ریزی‌شده ناسا که قرار است در سال ۲۰۲۷ پرتاب شود، برای نقشه‌برداری از خطوط کم‌نور پرتو گاما با حساسیت بهتر طراحی شده و برای تأیید سیگنال‌های هاله و اندازه‌گیری شدت آن‌ها نقشی کلیدی خواهد داشت.

این کشف، پرسشی درباره مکان را به پرسشی گسترده‌تر درباره بوم‌شناسی کهکشانی تبدیل می‌کند: اینکه ذرات چگونه در پهنه‌های عظیم فضا زاده می‌شوند، جابه‌جا می‌شوند و از میان می‌روند. راه شیری یک جعبه بسته نیست. نفس می‌کشد، و گاهی به نظر می‌رسد این نفس، پادماده را با خود به دل تاریکی می‌برد.