Niespokojne jądro Galaktyki - FONTANNA ANTYMATERII

Stanisław Mrówczyński

W centrum galaktycznego dysku Drogi Mlecznej bije na tysiące lat świetlnych fontanna wyrzucająca w kosmos strumienie pozytonów - antycząstek elektronów. Astrofizycy próbują odgadnąć, jakaż to siła napędza ten fajerwerk wypatrzony właśnie na niebie przez satelitę CGRO.

Świat cząstek elementarnych jest doskonale symetryczny - każdej cząstce odpowiada antycząstka, elektronowi - pozyton, protonowi - antyproton itd. Natomiast budulcem otaczających nas tworów przyrody jest wyłącznie materia. Drobiny antymaterii - antycząstki powstają w zderzeniach rozpędzonych jąder atomowych czy cząstek, lecz ich żywot jest zwykle bardzo krótki. Gdy wytworzona antycząstka spotka na swej drodze odpowiadającą jej cząstkę, następuje unicestwienie ich obu - anihilacja, czemu towarzyszy emisja kwantów promieniowania. Materia i antymateria, stanowiące jakby swoje zwierciadlane odbicia, nie tolerują się wzajemnie, nie mogą współistnieć.

Zanim zaobserwowano je w laboratorium antycząstki zaistniały na papierze. W 1928 roku Paul Dirac wymyślił słynne teraz równanie opisujące elektron. Teoria Diraca świetnie zgadzała się z wynikami licznych doświadczeń, jednak równanie miało patologiczną zdawało się własność - dopuszczało rozwiązanie z ujemną energią. Po długich deliberacjach i wahaniach, w maju 1931 roku Dirac doszedł do wniosku, że rozwiązanie to opisuje cząstkę o masie identycznej jak elektron, lecz o przeciwnym znaku ładunku elektrycznego. Już we wrześniu 1932 roku Carl Anderson doniósł o zaobserwowaniu przewidzianej przez Diraca antycząstki elektronu, która od dodatniego ładunku nazywana jest pozytonem bądź pozytronem. Później odkryto jeszcze wiele cząstek i ich antycząstek. Dzisiaj symetria między cząstkami a antycząstkami uchodzi za fundamentalną własność mikroświata.

W 1996 roku dowodnie wykazano podobieństwo materii i antymaterii. W Europejskim Laboratorium Fizyki Cząstek Elementarnych (CERN) pod Genewą wytworzono i zarejestrowano atom antywodoru czyli pozyton orbitujący wokół antyprotonu. Jeśli pozyton z antyprotonem mogą tworzyć antyatom, to antyatomy mogą składać się na antycząsteczki, a antycząsteczki na bardziej złożone struktury. Nic tedy nie stoi na przeszkodzie, aby istniał świat bardzo podobny do naszego, lecz anty.

Astrofizycy wypatrują od lat takiego antyświata. Borykają się w szczególności z pytaniem czy w promieniowaniu kosmicznym - strumieniach cząstek bezustannie bombardujących Ziemię - nie ma choćby niewielkiej domieszki antycząstek. Problem jest niestety bardzo złożony, gdyż antycząstki mogą być produkowane przez przybywające z Kosmosu cząstki w wysokich warstwach atmosfery. Skrupulatne badania pokazują, że obserwowane antycząstki można rzeczywiście przypisać procesom produkcji w otoczeniu Ziemi, co oznacza, że pierwotne promieniowanie kosmiczne nie zawiera antymaterii. W naszym bliskim sąsiedztwie nie ma więc zapewne antyświatów.

Przypuszcza się, że cały obecny Wszechświat zbudowany jest z materii. Natomiast zaraz po Wielkim Wybuchu wypełniała go najprawdopodobniej w równej ilości materia i antymateria. Dopiero później została naruszona symetria między cząstkami a antycząstkami i pojawiła się niewielka nadwyżka tych pierwszych. Gdy Wszechświat ostygł, antycząstki zniknęły, a owa nadwyżka cząstek stała się budulcem tego wszystkiego, co widzimy wokół.

Choć mało kto wierzy w istnienie antyświatów, niebo jest wciąż przepatrywane w poszukiwaniu antymaterii. Jej produkcja może następować w toku bardzo różnych kosmicznych zjawisk. Świadectwem obecności antymaterii są produkty procesu anihilacji. Gdy pozyton trafi na elektron najbardziej prawdopodobna jest emisja dwóch kwantów gamma o ściśle określonej energii. Ponieważ takie kwanty absorbowane są w ziemskiej atmosferze, można je obserwować tylko z satelitów orbitujących wokół naszej planety. Dzięki satelitarnym obserwacjom stwierdzono już w latach 70-tych, że centrum naszej Galaktyki jest intensywnym źródłem antymaterii. Jednym z celów misji satelity CGRO (Compton Gamma Ray Obserwatory) umieszczonego na orbicie okołoziemskiej w kwietniu 1991 roku było przebadanie aktywnego jądra Drogi Mlecznej. W maju tego roku doniesiono o zdumiewającym odkryciu.

Spodziewano się wykryć rozmyty obłok pozytonów wokół centrum naszej Galaktyki, zaś satelita CGRO zaobserwował jakby fontannę bijąca na 3000 lat świetlnych nad jądro galaktycznego dysku. Przypomnę, że rok świetlny to odległość jaką przebywa światło podróżując 365 dni. Promień dysku Galaktyki wynosi jakieś 50 000, a jego grubość ok. 2 000 lat świetlnych. Słońce z naszym układem planetarnym znajduje się gdzieś w połowie drogi między brzegiem, a środkiem galaktycznego talerza.

Zagadkowy jest mechanizm, który napędza fontannę antymaterii. Być może pozytony są produktem zderzenia gwiazd neutronowych, do którego doszło w zatłoczonym centrum Galaktyki. Bardziej atrakcyjna wydaje się jednak hipoteza, że jądro Drogi Mlecznej kryje czarną dziurę. Wysysana przez nią materia z sąsiedztwa rozgrzewa się piekielnie, a nim zniknie za horyzontem czarnej dziury silnie promieniuje emitując, w szczególności, pozytony. Jako napęd galaktycznej fontanny rozważany jest również jednoczesny wybuch wielu gwiazd, który spowodował wyrzucenie w Kosmos moc radioaktywnego materiału. Pamiętajmy, że przemianom wielu radioaktywnych jąder atomowych towarzyszy emisja pozytonów.

Astrofizyków szczególnie teraz interesuje jak fontanna zachowywać się będzie z upływem czasu. W ciągu dotychczasowych miesięcznych obserwacji nie zauważono żadnej zmiany jej intensywności. Gdyby tak było i dłużej niektóre hipotezy będzie można odrzucić. Trzeba jednak poczekać na dalsze obserwacje satelity CGRO, które pomogą zrozumieć, co naprawdę się dzieje w niespokojnym jądrze Galaktyki.

(POLITYKA 49, 1997)