Пульсар как антивещественный реактор. Недокументированная фича нейтронных звёзд

В научной фантастике одной из самых перспективных субстанций, которая могла бы стать идеальным топливом для звездолётов, считается антивещество. Антивещество — это экзотическая форма материи, основными составляющими которой являются антипротоны и позитроны (антиэлектроны). Кроме того, искусственно получены атомы антигелия и антиводорода. Антипротон и позитрон инвертированы по свойствам протону и электрону. 

Из всех частиц антивещества наиболее распространённым является позитрон, который обычен в составе космических лучей (где его и открыл Карл Андерсон в 1930 году). По формуле E = mc² при аннигиляции, проиллюстрированной, например, в этой статье ^[1] уважаемого @SLY_G ^[2] при столкновении частицы и античастицы вся их масса преобразуется в энергию, причём, из минимальной массы получается огромная энергия (скорость света в квадрате по модулю равна 299792458, в квадрате — около 90 000 000 000 (девяноста миллиардов)). Иными словами, считанных килограммов антивещественного топлива хватило бы на межзвёздную экспедицию, но в современных лабораториях антивещество синтезируется в субмикроскопических объёмах — около 1-2 нг в год ^[3]. Производят антивещество (в форме антипротонов) преимущественно в двух лабораториях – Фермилаб и ЦЕРН, а удержать в магнитной ловушке и не допустить мгновенной аннигиляции удаётся около миллиона антипротонов одновременно, что составляет по массе 10^-18 г. В естественной среде позитроны образуются в процессе рождения электрон-позитронных пар ^[4].

Поэтому и назрела тема этой статьи, в которой я хочу рассказать о значительно более крупном естественном источнике антивещества (в форме позитронов). Это уже давно полюбившиесяам пульсары ^[5].

Генераторы позитронов

Доля антивещества по сравнению с обычным веществом во Вселенной ничтожно мала, и это один из самых парадоксальных случаев асимметрии во Вселенной. Такая асимметрия до сих пор не объяснена, и обсуждение этой проблемы выходит за рамки этой статьи. Если вы хотите подробнее изучить эту тему, то рекомендую почитать на Хабре статью уважаемого Валерия Исаковского @valisak ^[6] «Почему во Вселенной материи больше, чем антиматерии? ^[7]».

Тем не менее, мы наблюдаем гораздо больше антивещества, чем предсказывают теоретические модели, в частности, барионная асимметрия Вселенной ^[8]. Позитроны не являются барионами, и именно в форме позитронов наблюдается избыток антивещества.    

Избыток позитронов наблюдается не только в космических лучах, но и в верхних слоях атмосферы. Возможные источники атмосферных позитронов и гамма-лучей, возникающих при аннигиляции, я ранее описывал в статье «Позитронные грозы. Об атмосферных гамма-вспышках и источниках антивещества ^[9]».

Это обсерватория HAWC (Высотная водная черенковская обсерватория), расположенная в Мексике на высоте 4100 метров на склоне вулкана Сьерра-Негра в штате Пуэбла. 

В 2008 году астрономы этой обсерватории обратили внимание, что в нескольких сотнях километров над Землёй. Избыток позитронов. Это явление попытались объяснить, как возможные следы аннигиляции при контакте обычной и тёмной материи (что является максимум гипотезой, а не теорией, поскольку мы до сих пор не представляем, из чего состоит тёмная материя). Ранее уважаемый @SLY_G ^[2] разбирал эту гипотезу в статье «Спросите Итана: избыток позитронов — стоит ли приписывать тёмной материи решение всех загадок астрофизики? ^[10]». Другое объяснение, значительно более обоснованное, заключалось в том, что поток позитронов постоянно поступает от пульсаров — стремительно вращающихся нейтронных звёзд. Не все нейтронные звёзды являются пульсарами ^[11], выявлять пульсары среди нейтронных звёзд можно методами машинного обучения ^[12] (гитхаб ^[13]). Ранее я рассказывал на Хабре о природе пульсаров в статье «Электромагнитный ад. Некоторые факты и гипотезы о природе пульсарных планет ^[5]».

Именно в обсерватории HAWC впервые удалось подробно измерить два пульсара, которые могут быть источником избыточных позитронов ^[14]. Коллаборация HAWC пришла к выводу, что два ближайших к нам пульсара едва ли могут быть источником позитронов, поскольку окутаны облаками межзвёздного газа, и преодолеть его случайным позитронам почти невозможно (они аннигилируют с материей). Впоследствии эта картина была существенно скорректирована.

Следующий важный эксперимент в этой области был поставлен в 2014 году. Тогда аппарат AMS-02 (магнитный альфа-спектрометр ^[15]), установленный на МКС, обнаружил ^[16], что вероятный источник избыточных позитронов действительно находится в гало пульсаров.

Как указано в вышеупомянутых статьях, пульсары генерируют мощное магнитное поле, которое из-за вращения звезды вытягивается в форме длинной нити. Вместе с магнитным полем возникает и электрическое, вытягивающее электроны с поверхности пульсара и разгоняющее их до высоких скоростей. Таким образом, пульсар проявляет свойства ускорителя частиц. Ускоряясь, электроны излучают гамма-лучи, под действием которых отдельные электроны превращаются в позитроны ^[17]. Эти позитроны за счёт скорости не только ускользают из гравитационного поля пульсара, но и успевают не аннигилировать с обычной материей.

Для более подробного изучения этого процесса выбрали пульсар PSR J2030+4415, открытый в 2012 году, а затем отснятый при помощи рентгеновского телескопа «Чандра» ^[18]. Оказалось, что этот пульсар выбрасывает струю электронов и позитронов ^[19] длиной более 64 триллионов километров (для сравнения: расстояние от Земли до Солнца составляет 150 миллионов километров). Такие струи называются «филамент» или «радионить». Они встречаются очень редко, но ранее подобную струю уже наблюдали и у других пульсаров: PSR B2224+65 ^[20] в туманности Гитара и PSR J1101−6101 ^[21] в туманности Маяк.  Вот кадры PSR J2030+4415 с телескопа «Чандра».

Физика этого процесса пока изучена слабо. По данным телескопа можно оценить, сколько энергии тратится на образование электрон-позитронных пар — и сейчас представляется, что эта доля огромна, от 20 до 40 процентов всей энергии пульсара. Вполне достаточно, чтобы объяснить избыток позитронов по сравнению с почти полным отсутствием других частиц антивещества (предположительно, в 2024 году всё тот же AMS-02 обнаружил в космических лучах не только позитроны, но и ядра антигелия-4 ^[22]).

Филамент этого пульсара был открыт в 2020 году, но его истинную длину тогда определить не удалось, так как большая часть пульсара находилась за пределами снимка. Новый кадр, сделанный в 2021 году, показал, что филамент примерно втрое длиннее, чем казался первоначально, а на ночном небе достигает в длину половину диаметра Луны.

Позитроны наблюдались в гало пульсаров ^[23] и ранее (в незначительных количествах, что объяснялось быстрой аннигиляцией частиц), но за пределы гало они не распространялись, поскольку пульсар удерживает частицы своим сильным магнитным полем. Напомню, что пульсар является остатком сверхновой, а после взрыва сверхновой образуется туманность, которая затем дополнительно замедляет вырывающиеся из пульсара частицы и античастицы, усиливая эффект магнитного поля.

Филамент пульсара J2030+4415 после выброса распространялся в вакууме со скоростью около 800 000 километров в час и гнал перед собой своеобразную ударную волну. Примерно 20-30 лет назад эта ударная волна остановилась, звёздный ветер её догнал, и в результате рой частиц и античастиц был выброшен в межзвёздное пространство. Далее частицы и античастицы продолжают постепенно утекать из филамента подобно выхлопу из сопла.

Как экспериментально воспроизвести этот процесс

Итак, имеющиеся наблюдения позволяют заключить, что филамент PSR J2030+4415 не уникален, а антивещество в форме позитронов образуется в природе значительно легче, чем в форме антиядер. Таким образом, этот процесс потенциально воспроизводим в миниатюре, подобно тому, как в XVIII веке удалось воспроизвести электрический разряд, не воспроизводя молнию.

Первый практический задел в этой области был сделан в 2021 году под руководством Юйтуна Хэ (Yutong He) из Калифорнийского университета в Сан-Диего. Он описал поставленный опыт в статье «Dominance of γ-γ electron-positron pair creation in a plasma driven by high-intensity lasers ^[24]». Облучая плазменные мишени лазерами нужной частоты, можно создать условия, способствующие образованию позитронов как в филаменте пульсара (процесс Брейта-Уилера ^[25]).

Эксперимент проводится в пластиковом контейнере, в котором протравлены пересекающиеся каналы микрометровой толщины. С противоположных сторон эти каналы простреливаются высокоэнергетическими лазерными пучками, в результате чего образуются облака электронов, устремляющиеся навстречу друг другу. Электроны при столкновении излучают гамма-фотоны, которые затем при столкновении образуют пары электронов и позитронов. Энергия превращается в материю, это процесс, обратный аннигиляции.  

Тем интереснее, что в процессе также возникают магнитные поля, не дающие позитронам разлетаться и ориентирующие их в виде пучков, подобных миниатюрным филаментам пульсара. На расстоянии десятков микрометров позитроны могут достигать энергии до 1 гигаэлектронвольта ^[26].

Лабораторная астрофизика

Таким образом, Юйтун Хэ совместно с коллегой по Калифорнийскому университету Алексеем Арефьевым, а также Томасом Блэкберном из Гётеборгского университета и Тома Тонцианом из Центра физики излучения им. Гельмгольца Дрезден-Россендорф воспроизвели условия, которые складываются в магнитосфере пульсара, и изобрели метод, позволяющий нарастить производство позитронов в 100 000 раз ^[27] по сравнению с традиционными методами, в которых используется лазер.   

Исследование, которое задумывалось как фундаментальная физика (лабораторное моделирование пульсара) позволило лучше понять рождение позитрон-электронных пар, а также проследить, как магнитосферы пульсаров могут выступать в качестве накопителей антивещества и силой собственных магнитных полей удерживать электроны и позитроны от мгновенной аннигиляции.

Исследование, которое задумывалось как фундаментальная физика (лабораторное моделирование пульсара) позволило лучше понять рождение позитрон-электронных пар, а также проследить, как магнитосферы пульсаров могут выступать в качестве накопителей антивещества и силой собственных магнитных полей удерживать электроны и позитроны от мгновенной аннигиляции.

Исследование, которое задумывалось как фундаментальная физика (лабораторное моделирование пульсара) позволило лучше понять рождение позитрон-электронных пар, а также проследить, как магнитосферы пульсаров могут выступать в качестве накопителей антивещества и силой собственных магнитных полей удерживать электроны и позитроны от мгновенной аннигиляции.

 Исследование, которое задумывалось как фундаментальная физика (лабораторное моделирование пульсара) позволило лучше понять рождение позитрон-электронных пар, а также проследить, как магнитосферы пульсаров могут выступать в качестве накопителей антивещества и силой собственных магнитных полей удерживать электроны и позитроны от мгновенной аннигиляции.

Возможно, этот процесс получится развить «практически до продакшена» на мощностях таких лабораторий, как расположенная в Румынии «лазерная долина ^[28]», исследовательский комплекс, официально именуемый «Extreme Light Infrastructure Nuclear Physics ^[29]» — кстати, ещё в 2013 году о его возведении рассказывал на Хабре уважаемый @alizar в заметке «В Румынии началось строительство самого мощного в мире лазера ^[30]». Изучение пульсаров как естественных генераторов антивещества интересно само по себе. Несмотря на то, что эти источники позитронов расположены от Земли очень далеко, и сбор антивещества от них на данном этапе развития цивилизации невозможен, пульсары очень хорошо заметны, и в будущем могли бы стать настоящими месторождениями антивещественного топлива и заправочными станциями для звездолётов. Но в этой статье я постарался показать, как труднообъяснимый избыток позитронов сначала позволил найти их источник в пульсарах, а затем единичные филаменты помогли смоделировать, каким образом позитроны вырываются из мощной магнитосферы нейтронной звезды. Полагаю, эти процессы приближают нас к созданию антивещественного реактора, который, несмотря на всю его фантастичность, попробую рассмотреть в одной из следующих статей на Хабре.