В научной фантастике антивещество традиционно занимает место идеального ракетного топлива для межзвездных перелетов. По сути, это экзотическая материя, состоящая из антипротонов и позитронов (антиэлектронов), хотя ученым уже удалось синтезировать ядра антиводорода и антигелия. Свойства этих частиц зеркально отражают характеристики обычных протонов и электронов.
Наиболее часто встречающаяся частица антимира — позитрон, обнаруженный Карлом Андерсоном еще в 1930 году в составе космического излучения. Согласно знаменитому уравнению Эйнштейна E = mc², аннигиляция пары частица-античастица приводит к полному высвобождению их массы в виде чистой энергии. Учитывая огромный коэффициент преобразования (квадрат скорости света составляет около 90 квадриллионов м²/с²), даже ничтожное количество такого топлива могло бы обеспечить колоссальную тягу. Однако современная наука пока ограничена производством антиматерии в микроскопических масштабах — порядка 1-2 нг в год. Ведущие исследовательские центры, такие как ЦЕРН и Фермилаб, удерживают в магнитных ловушках лишь около миллиона антипротонов одновременно, что весит сущие крохи — 10-18 г. В естественных же условиях позитроны возникают при рождении электрон-позитронных пар.
В этой статье мы рассмотрим гораздо более мощные природные фабрики по генерации позитронов — пульсары, которые давно привлекают внимание исследователей.
Генераторы позитронов
Тотальное доминирование материи над антиматерией во Вселенной — одна из величайших загадок современной физики. Этот дисбаланс, известный как барионная асимметрия, пока не имеет общепринятого объяснения. Желающим углубиться в тему рекомендую статью уважаемого Валерия Исаковского @valisak «Почему во Вселенной материи больше, чем антиматерии?».
Тем не менее, наблюдения фиксируют избыток позитронов, который не вписывается в классические теоретические модели. Эти частицы обнаруживаются как в космических лучах, так и в верхних слоях земной атмосферы, о чем я подробно писал в статье «Позитронные грозы. Об атмосферных гамма-вспышках и источниках антивещества».
На снимке — обсерватория HAWC, расположенная в Мексике на склоне вулкана Сьерра-Негра. Еще в 2008 году ученые зафиксировали аномальный избыток позитронов в околоземном пространстве. Первоначально этот феномен связывали с гипотетическим распадом темной материи, что подробно разбирал @SLY_G в заметке «Спросите Итана: избыток позитронов — стоит ли приписывать тёмной материи решение всех загадок астрофизики?». Однако более правдоподобной версией стало излучение от пульсаров — вращающихся нейтронных звезд, природу которых я описывал в статье «Электромагнитный ад. Некоторые факты и гипотезы о природе пульсарных планет».
Именно данные HAWC позволили впервые детально исследовать пульсары как возможные источники античастиц. Хотя изначально считалось, что плотные облака межзвездного газа препятствуют выходу позитронов наружу, дальнейшие исследования внесли коррективы.
Важный прорыв произошел в 2014 году, когда магнитный альфа-спектрометр AMS-02 на борту МКС подтвердил, что избыток позитронов действительно генерируется в ореолах пульсаров.
Механизм прост и эффективен: бешеное вращение нейтронной звезды закручивает магнитное поле в длинные жгуты. Возникающие при этом колоссальные электрические поля вырывают электроны с поверхности, разгоняя их до околосветовых скоростей. Пульсар фактически превращается в мощнейший **ускоритель частиц**. В ходе этого процесса электроны излучают гамма-кванты, которые, взаимодействуя с полем, порождают пары электронов и позитронов. Благодаря огромной кинетической энергии, позитроны успевают покинуть гравитационный колодец звезды, не успев аннигилировать.
Ярким примером стал пульсар PSR J2030+4415, у которого рентгеновский телескоп «Чандра» зафиксировал джет электронов и позитронов чудовищной протяженности — свыше 64 триллионов километров. Аналогичные структуры, известные как «радионити» или филаменты, были замечены у объектов PSR B2224+65 и PSR J1101−6101.
Физика этого процесса все еще изучается, но предварительные оценки показывают, что пульсары могут тратить до 40% своей энергии на создание антиматерии. Этого вполне достаточно, чтобы объяснить аномалии, наблюдаемые в космических лучах (включая недавнее обнаружение ядер антигелия-4).
Экспериментальное воспроизведение
Наблюдения доказывают, что природа создает антивещество гораздо охотнее, чем мы могли предположить. Это открывает путь к лабораторному моделированию подобных процессов, подобно тому, как искусственные электрические разряды позволили приручить молнию.
Первые значимые результаты были получены в 2021 году группой Юйтуна Хэ из Калифорнийского университета. Используя мощные лазеры, ученые смоделировали условия образования позитронов через процесс Брейта-Уилера. В ходе эксперимента лазерные импульсы высокой интенсивности простреливали микроскопические каналы в плазменной мишени, порождая плотные облака электронов, которые при столкновении генерировали гамма-кванты, а те, в свою очередь — электрон-позитронные пары.
Интересно, что возникающие при этом магнитные поля самостоятельно фокусируют позитроны в узкие пучки, копируя структуру пульсарных филаментов, разгоняя частицы до энергий в 1 ГэВ.
Лабораторная астрофизика
Команда ученых из Калифорнийского университета, Гётеборгского университета и Центра физики излучения им. Гельмгольца добилась впечатляющих результатов: новый метод позволяет увеличить выход позитронов в 100 000 раз по сравнению с предшествующими лазерными технологиями.
Это фундаментальное исследование дает нам бесценные знания о том, как магнитосферы нейтронных звезд работают в качестве «космических накопителей» антиматерии. В перспективе эти наработки могут быть внедрены на базе таких комплексов, как Extreme Light Infrastructure в Румынии, строительство которого освещалось на SE7ENе еще в 2013 году.
Хотя мы пока далеки от того, чтобы использовать пульсары как межзвездные АЗС, понимание естественных механизмов генерации антиматерии — это важнейший шаг на пути к созданию реакторов на антивеществе. Фантастика постепенно трансформируется в прикладную физику, и, возможно, в будущих статьях мы подробно обсудим архитектуру таких двигателей.
