Детальные измерение спектра аннигиляции позитронов в центральной области Галактики обсерваторией интеграл

Важнейшим результатом работы обсерватории ИНТЕГРАЛ, запущенной на орбиту с космодрода Байконур в конце 2002 года, стало детальное измерение спектра аннигиляции позитронов в центральной области Галактики. Уникальной, по сравнению с другими работающими орбитальными обсерваториями, является способность обсерватории ИНТЕГРАЛ регистировать ядерные гамма-линии на энергиях от 50 кэВ до 8 МэВ с разрешением в несколько кэВ. Около четверти наблюдательного времени этой международной обсерватории (совместный проект Европейского космического агентства, России и США) принадлежит российским ученым. Значительная часть этого времени была использована для тщательного исследования области Центра нашей Галактики и поиску аннигиляционного излучения позитронов. На Рис.1 показана сглаженная карта излучения нашей Галактики в линии аннигиляции позитронов, полученная в ИКИ РАН. Яркое пятно в центре карты соответствует центральной области Галактики. Детальные измерения показывают, что большая часть излучения сосредоточена в области размером менее 10 градусов вокруг динамического центра Галактики. По полному измеренному потоку излучения было показано, что в этой области каждую секунду аннигилирует около 10⁴³ позитронов.

На Рис.2 представлен спектр аннигиляционного излучения, полученный обсерваторией ИНТЕГРАЛ, позволяющий получить уникальную информацию о свойствах среды, в которой происходит аннигиляция позитронов. Позитроны практически всегда рождаются "горячими", с кинетической энергией, сравнимой с их массой покоя. В межзведной среде позитроны постепенно остывают и затем формируют "атомы" позитрония - аналог атома водорода, в котором протон заменен на позитрон. В зависимости от полного спина позитрония он распадается на два или три фотона, что приводит к появлению двух компонент в наблюдаемом спектре - узкой линии на энергии 511 кэВ (распад на два фотона, красная кривая на Рис.2) и широкому континууму на более низких энергиях (трех-фотонный распад, синяя кривая). По данным обсерватории ИНТЕГРАЛ энергия узкой линии равна 510.988 кэВ и совпадает с энергией покоя позитрона (или электрона) с точностью до сотой доли процента. Это позволяет утверждать что скорость движения среды, в которой происходит аннигиляция позитронов, относительно Земли не превышает 30 км/с. По ширине линии и относительной яркости трех-фотонного континуума было показано, что аннигиляция позитронов происходит в теплой (~10000 град) частично ионизованной межзвездной среде. Точность измерений, выполненных обсерваторией ИНТЕГРАЛ является рекордной на сегодняшний день. Эти измерения, в частности, накладывают ограничения на сечение аннигиляции частиц темной материи, а также на другие, менее экзотические теоретические модели образования позитронов в Галактике, включая рапад радиоактивных элементов при взрывах сверхновых, рождение позитронов вблизи черных дыр и быстро вращающихся нейтронных звезд или при взаимодействия космических лучей с обычным веществом.