Los positrones galácticos / Galactic positrons / Posítrons galácticos

A antimatéria não é ficção científica. Suas partículas de são criadas e destruídas cotidianamente nos aceleradores de partículas e também na nossa galáxia.

Nas regiões centrais da Via Láctea há produção abundante de antimatéria. Os astrônomos estudam este processo desde que detectaram sua existência, na década de setenta.

O telescópio de raios gama da Agência Europeia Espacial (ESA), INTEGRAL, resolveu agora um dos mistérios relacionados à formação de antimatéria no centro galáctico. Por que há mais matéria que antimatéria?

O 'horizonte azul' da astronomia

O Que é o Grande Atrator?

Um posítron é a antipartícula do elétron, uma partícula que com a mesma massa que o elétron e a mesma carga, mas com sinal oposto. As leis da física nos dizem que se um elétron e um posítron colidem, se aniquilam, e do processo surgem dois ou mais fótons.

Nos casos em que posítron e elétron em colisão não sejam partículas muito energéticas, o resultado costuma ser a emissão de dois fótons, cada um com energia igual à energia de repouso do elétron (ou do positrón; não se deve esquecer que suas massas são iguais), 511 quiloeletronvolts (keV).

A detecção de radiação com esta energia, que cai na faixa dos raios gama, é um sinal inequívoco de que está havendo a aniquilação de elétron e posítrons, de matéria e antimatéria.

E essa é justamente a emissão que se detecta no centro da Via Láctea. Sabe-se que é um processo relacionado às explosões de supernovas ou a estrelas muito massivas.

A principal fonte de posítrons na Via Láctea é o decaimento radiativo de isótopos de níquel (56Ni), titânio (44Ti) e alumínio (26Al), que foram expelidos ao meio interestelar durante as explosões de supernovas ou por ventos estelares das chamadas estrelas Wolf Rayet, muito massivas.

54 milhões de segundos.

Os instrumentos do satélite INTEGRAL detectam precisamente raios gama. A análise de 54 milhões de segundos de observação realizadas pelo INTEGRAL permitiram elaborar um mapa detalhado das zonas de emissão de radiação de 511 keV na Via Láctea.

Assim, notou-se que a emissão se concentra fundamentalmente na região central de nossa galáxia, mas também é detectada no disco galáctico. A emissão no disco não é simétrica, a quantidade de radiação emitida não é a mesma em ambos os lados do centro da galáxia.

Mas ainda há mais. A diferença de luminosidade entre o centro e o disco galáctico é quatro vezes superior à diferença entre a densidade de supernovas (e, portanto, da produção esperada de posítrons) em uma e outra região. Então, em função da radiação emitida em ambas as regiões, caberia esperar que no centro da galáxia se detectassem mais supernovas que no disco.

Mas não é assim. A que se deve então tais diferenças na quantidade de antimatéria? O que é que não se encaixa na teoria? Esses achados obrigaram os especialistas a revisar suas teorias sobre a produção de posítrons.

Mais antimatéria no centro

Finalmente, os astrônomos encontraram a solução para o mistério dos posítrons galácticos. Uma das hipóteses de partida supunha que o posítron, sendo uma partícula carregada, se veria afetado pelos campos magnéticos em nossa galáxia, e não seria capaz de viajar muito distante das zonas onde havia sido gerado, antes de ser aniquilado.

Então, detectar radiação de 511 keV em regiões onde não há fontes conhecidas de posítrons implicaria a existência de outras fontes de geração de posítrons, não consideradas até o momento.

Na verdade, este postulado não tem valor: não é correto supor que os posítrons não possam distanciar-se das zonas onde foram criados. Os posítrons podem, sim, viajar grandes distâncias na galáxia, porque a interação com flutuações magnéticas não é tão intensa ao ponto de afetá-los tanto assim. Se a esta mobilidade dos posítrons acrescentarmos que há muito mais densidade de matéria e antimatéria na região central da galáxia do que no disco, a explicação para o mistério é simples.

Os posítrons produzidos no disco, onde a densidade é menor, podem distanciar-se bastante de suas zonas de criação. Os posítrons produzidos no centro galáctico, por sua vez, onde a densidade é maior, têm maior probabilidade de ser aniquilados perto de onde se formaram, produzindo, portanto, maior intensidade de emissões de 511 keV no centro galáctico, que efetivamente se observa.

Por que há mais matéria que antimatéria?Um dos principais mistérios da física é o motivo por que o universo observável é composto, na maior parte, por matéria. A teoria diz que no universo primordial, pouco depois do Big Bang, as quantidades de matéria e antimatéria deveriam estar em equilíbrio; algo deve ter ocorrido para que a maior parte da antimatéria decaísse ou fosse aniquilada.

A existência da antimatéria não havia sido confirmada experimentalmente, até 1932. Os raios cósmicos de alta energia que atingem a atmosfera terrestre geram quantidades pequenas de antimatéria. Também os aceleradores de partículas, como o LHC, que volta a operar, no CERN, próximo a Genebra, Suíça produzem antimatéria.

La antimateria no es sólo un término de ciencia ficción. Las partículas de antimateria se crean y se destruyen cotidianamente en los aceleradores de partículas y también en nuestra galaxia. En las regiones centrales de la Vía Láctea se produce abundantemente antimateria.

Los astrónomos estudian este proceso desde que detectaron su existencia, en la década de los setenta. El telescopio de rayos gamma de la Agencia Europea del Espacio (ESA), INTEGRAL, ha resuelto ahora uno de los misterios relacionados con la formación de antimateria en el centro galáctico.

Un positrón es la antipartícula del electrón, es decir, una partícula que tiene la misma masa que el electrón y la misma carga, aunque de signo opuesto. Las leyes de la física nos dicen que si un electrón y un positrón colisionan, se aniquilan, y del proceso resultan dos o más fotones. En los casos en que el positrón y el electrón en colisión no sean partículas muy energéticas, el resultado suele ser la emisión de dos fotones, cada uno con una energía igual a la energía en reposo del electrón (o del positrón, no olvidemos que sus masas son iguales), es decir 511 kelectronvoltios (keV).

La detección de radiación con esta energía, que cae en el dominio de los rayos gamma, se considera una señal inequívoca de que está teniendo lugar la aniquilación de electrones y positrones, es decir, de materia y antimateria. Y ésa es justamente la emisión que se detecta en el centro de la Vía Láctea.

Se sabe que es un proceso relacionado con las explosiones de supernova o con estrellas muy masivas. La principal fuente de positrones en la Vía Láctea es el decaimiento radiactivo de isótopos de níquel (56Ni), titanio (44Ti) y aluminio (26Al), que han sido expulsados al medio interestelar durante las explosiones de supernovas o por vientos estelares de las llamadas estrellas Wolf Rayet, muy masivas.

54 millones de segundos

Los instrumentos del satélite INTEGRAL detectan precisamente rayos gamma. El análisis de 54 millones de segundos de observación realizados por INTEGRAL ha permitido elaborar un mapa detallado de las zonas de emisión de radiación de 511 keV en la Vía Láctea. Así se ha visto que la emisión se concentra fundamentalmente en la región central de nuestra galaxia, pero también se detecta el disco galáctico. La emisión en el disco no es simétrica, es decir, la cantidad de radiación emitida no es la misma a uno y otro lado del centro de la galaxia.

Pero aún hay más. La diferencia de luminosidades entre el centro y el disco galáctico es cuatro veces superior a la diferencia entre la densidad de supernovas (y por tanto de la producción esperada de positrones) en una y otra región. Es decir, en función de la radiación emitida en ambas regiones, cabría esperar que en el centro de la galaxia se detectaran más supernovas que en el disco. Y no es así. ¿A qué se deben entonces las diferencias en la cantidad de antimateria? ¿Qué hay que no encaja en la teoría? Estos hallazgos obligaron a los expertos a revisar sus teorías sobre la producción de positrones.

Más antimateria en el centro

Finalmente, los astrónomos han dado con la solución al interrogante de los positrones galácticos. Una de las hipótesis de partida suponía que el positrón, al ser una partícula cargada, se vería afectado por los campos magnéticos en nuestra galaxia, y no sería capaz de viajar muy lejos de las zonas donde había sido generado antes de ser aniquilado.

Es decir, detectar radiación de 511 keV en regiones donde no hay fuentes conocidas de positrones implicaría la existencia de otras fuentes de producción de positrones, no consideradas hasta el momento. En realidad, este planteamiento no es válido: no es correcto suponer que los positrones no pueden alejarse de las zonas donde fueron creados. Los positrones sí pueden viajar grandes distancias en la galaxia, porque la interacción con fluctuaciones magnéticas no es tan intensa como para afectarles significativamente.

Si a esta movilidad de los positrones añadimos que hay mucha más densidad de materia y antimateria en la región central de la galaxia que en disco, la explicación al misterio es sencilla. Los positrones producidos en el disco, donde la densidad es menor, pueden alejarse mucho de sus zonas de producción. Los positrones producidos en el centro galáctico, en cambio, donde la densidad es más alta, tienen mayor probabilidad de ser aniquilados cerca de donde fueron creados, produciendo por tanto la mayor intensidad en la emisión de 511 keV en el centro galáctico que efectivamente se observa.

¿Por qué hay más materia que antimateria?

Uno de los principales misterios de la física es por qué el universo observable está hecho en su mayor parte de materia. La teoría dice que en el universo temprano, muy poco después del Big Bang, las cantidades de materia y antimateria debieron de estar en equilibrio; algo debió de ocurrir para que la mayor parte de la antimateria decayera o fuera aniquilada. La existencia de la antimateria no fue confirmada experimentalmente hasta 1932.

Los rayos cósmicos de alta energía que impactan en la atmósfera terrestre generan cantidades pequeñas de antimateria. También en los aceleradores de partículas, como el LHC que comienza a ponerse en marcha en el CERN, cerca de Ginebra, se produce antimateria.

A team of researchers working with data from ESA’s Integral Gamma-ray Observatory has disproved theories that some form of dark matter explains mysterious radiation in the Milky Way.

That this radiation exists has been known since the 1970s, and several theories have been proposed to explain it. Integral’s unprecedented spectral and spatial resolution showed that it strongly peaks towards the centre of the Galaxy, with an asymmetry along the Galactic disc.

Several researchers have invoked a variety of dark matter to explain Integral’s observations. Dark matter is thought to exist throughout the Universe – undetectable matter that differs from the normal material that makes up stars, planets and us. It is also believed to be present within and around the Milky Way, in the form of a halo.

The recent study has found that the ‘positrons’ fuelling the radiation are not produced from dark matter but from an entirely different, and much less mysterious, source: massive stars explode and leave behind radioactive elements that decay into lighter particles, including positrons, the antimatter counterparts of electrons.

The reasoning behind the original hypothesis was that positrons, being electrically charged, would be affected by magnetic fields and thus would not be able to travel far. As the radiation was observed in places that did not match the known distribution of stars, dark matter was invoked as an alternative for the origin of the positrons.

But the recent finding by a team of astronomers led by Richard Lingenfelter at the University of California at San Diego, proves otherwise. The astronomers show that the positrons formed by radioactive decay of elements left behind after explosions of massive stars are, in fact, able to travel great distances, with many leaving the thin Galactic disc.

Taking this into account, dark matter is no longer required to explain what Integral saw. A better understanding of how positrons behave has explained the mysterious radiation in our Galaxy.