1997年4月29日纽约时报:Enormous Plume of Antimatter Alters View of the Milky Way(nytimes.com 的页面)中提到:“利用康普顿伽马射线天文台,科学家发现,一个反物质喷泉从银河系盘面喷出,直到银河系盘面以上3500光年的地方。”
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简单说:大体上确有其事,但按照近年新的研究成果,说“喷泉”已经不准确了。
1974年,澳大利亚天文学家Leventhal等人在赛丁泉开展了一个以高空气球为载具的高能天体物理实验,结果在银河系中心发现了一个511 keV的谱线:
eV是高能天体物理常用的能量单位,1 eV = 1.60218e-19 J。他们很容易就发现511 keV刚好是质量均为一个电子质量的电子和它的反物质粒子正电子互相湮灭并释放出两个相同能量的光子时,每个光子的能量(用E=mc^2很容易验算)。换言之,银河系中心有个正电子源,通俗一点可以说是有个反物质源。
这个观测后来被其他一些观测相继证实了。
1997年,Purcell等人发表了1991年升空的天文卫星“康普顿伽马射线天文台”(CGRO)对银河系中心511 keV辐射的巡天观测结果,绘制了银心511 keV辐射的分布图:
Purcell等人认为银心上方较高银纬处的511 keV辐射跟银心的亮源是有物理联系的,有可能是银心喷射出来一块511 keV辐射的“云”,所以有对此成果的报道称银心有“反物质喷泉”。
2002年,高能天文卫星INTEGRAL发射。2010年,Bouchet等人发表用INTEGRAL对银心511 keV辐射的成图结果:
Bouchet等人结论是511 keV辐射基本上是对称的,是面源,没发现点源;每秒~10^43个湮灭事件。从图上可见,上面那一坨云不见了,所以Bouchet以自己的观测结果为依据,就没有再提Purcell说的喷泉这事。
所以对题主问题的答案是:银河系中心确实有大量不明来源的反物质——具体地说是不明来源的正电子;1997年,研究人员根据当时康普顿望远镜观测的结果,提出了正电子“喷泉”这个想法;后来虽然大家还是很困惑正电子来源,但是因为新的观测结果没有正电子明显的喷到高银纬的现象,所以已经不再提“喷泉”这个说法了。
以上是基本的观测事实。对正电子来源的理论解释很多,似乎至今仍然没有确定的解释,我不可能面面俱到的归类和辨析,我看到哪个就随便写几句:
1、小微黑洞说
1.1 Okele & Rees 1980认为正电子可能来自微型黑洞的霍金辐射。Frampton & Kephart 2005按照这个思路往下编,说如果在银河系中心有~10^22个原初黑洞,每个每秒通过霍金辐射发射~10^21个正电子,就能凑出来~10^43这个数。但是显然他们自己也不太相信这个可能性。Bambi et al. 2008与此思路雷同,也是一坨小黑洞。
1.2 Titarchuk & Chardonnet 2006说,如果银河系超大质量黑洞周围非常近(几十个AU)有一些小质量(10^17 g,谷神星的万分之一量级)的黑洞,那前者吸积盘产生的X射线和后者发出的黑体辐射相互作用,可以产生~10^42/s的正电子,可以作为超新星说的补充——这个理论感觉也纯属脑大开。
2、超新星元素衰变说
Chan & Lingenfelter 1993认为,超新星爆炸时会炸出大量放射性元素,它们的衰变放出的正电子其中一部分可以逃逸到星际介质中,成为银河系内弥散正负电子湮灭的正电子来源——这个听上去比小黑洞什么的靠谱多了。Martin et al. 2012, Alexis et al. 2014对这事做过模拟,结果是可以解释一部分正电子来源,不能解释全部,所以可能还需要其他一些机制进行补充。
3、毫秒脉冲星说
Wang 2007认为,毫秒脉冲星星风可以提供正电子源,但是由于正电子在脉冲星磁场中能传播的距离很短,所以要获得“弥散”的正电子分布,需要依赖毫秒脉冲星本身的“弥散”分布。
4、银河系外吸积说
Vincenta et al. 2015认为,河外正电子源,如活动星系核,可以喷出正负电子对,充斥在星系际气体中,然后被银河系吸积进来。
5、暗物质说
Bai, Su & Zhao 2012表示暗物质湮灭可以产生511 keV信号,还有一些其他文章也讲了暗物质机制的,这个我就完全看不懂了。
刷文献刷着刷着发现了一篇靠谱的综述
我上述总结显然不如这篇综述靠谱:Prantzos et al. 2011对当时已有的一些研究做了综述,他们把银河系产生正电子的理论机制分为三类:
1、跟恒星元素核合成有关的:大质量恒星、超新星等在此类
2、跟致密天体、宇宙线有关的高能过程:宇宙线、脉冲星、X射线双星、黑洞等在此类
3、跟暗物质及其他非主流理论有关的。
他对各种可能机制的物理过程、能产生的正电子数、预测的空间分布等总结如下:
这张表说了一个意思:没有任何一种已知机制可以单独完全解释银河系正电子来源。
(我在参考文献里还列了一个Morrill et al. 2000,是纽约大学物理系几个学生2000年的小组作业,对2000年时该问题的进展做了一些综述,也供参考。)
其他
Higdon et al. 2009研究了正电子在星际介质中的传播问题,这篇跟问题无关,我留给自己参考。其中有张银河系结构示意图挺有意思:
Ref:
Morrill et al. 2000 The Cloud in the Galactic Halo: Changing Ideas About the Center of Our Galaxy
Leventhal et al. 1978 Detection of 511 keV positron annihilation radiation from the galactic center direction
Purcell et al. 1997 OSSE Mapping of Galactic 511 keV Positron Annihilation Line Emission
Bouchet et al. 2010 On the Morphology of the Electron-Positron Annihilation Emission as Seen by Spi/INTEGRAL
Okele & Rees 1980 Observational consequences of positron production by evaporating black holes
Frampton & Kephart 2005 Primordial Black Holes, Hawking Radiation and the Early Universe
Titarchuk & Chardonnet 2006 The Observed Galactic Annihilation Line: Possible Signature of Accreting Small-Mass Black Holes in the Galactic Center
Bambi et al. 2008 http://arxiv.org/abs/0801.2786
Chan & Lingenfelter 1993 Positrons from supernovae
Martin et al. 2012 Galactic annihilation emission from nucleosynthesis positrons
Alexis et al. 2014 Monte Carlo modelling of the propagation and annihilation of nucleosynthesis pos
Wang 2007 511 keV line from millisecond pulsars in the Galactic center
Vincenta et al. 2015 The Galactic 511 keV Line and the Intergalactic Positron Density
Bai, Su & Zhao 2012 http://arxiv.org/abs/1212.0864
Prantzos et al. 2011 The 511 keV emission from positron annihilation in the Galaxy
Higdon et al. 2009 The Galactic Positron Annihilation Radiation and the Propagation of Positrons in
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