Maitotien antimateriapulma: positronit pakenevat avaruutta

Kuvittele gammasäteilyn fotonit sormenjäljiksi, joita aine jättää kohdatessaan peilikuvansa. Ne ilmestyvät hyvin tarkassa energiassa, 511 kiloelectronivoltissa (511 keV), ja merkitsevät positronin ja elektronin annihilaatiota. Kymmeniä vuosia astronomit ovat seuranneet näitä jälkiä Maitotiedessä yrittäen paikantaa, missä galaksi tuottaa antimateriaa. Kartta ei kuitenkaan ole koskaan oikein täsmännyt.

Asia on helppo muotoilla mutta vaikea ratkaista: havaitsemme huomattavasti enemmän positronien annihilaatiosäteilyä kuin perinteiset lähteet, kuten supernovat, pulssarit, mustat aukot tai tunnetut radioaktiiviset isotoopit, näyttävät pystyvän tuottamaan. Mistä kaikki ne positronit tulevat? Ja kuinka pitkän matkan ne kulkevat ennen kuin kohtaavat elektronin ja häviävät gammasädevälähdykseen?

Uusi etsivätyö, joka perustuu Euroopan avaruusjärjestön ESA:n INTEGRAL-gammasädeteleskoopin kahden vuosikymmenen havaintoihin, ohjaa pulmaa yllättävään suuntaan. Kun tutkijat yhdistivät teleskoopin koko datan, kaavoja ilmaantui odottamattomiin paikkoihin: signaaleja, jotka eivät tule täyteen ahdetusta galaktisesta tasosta vaan kaukana sen yläpuolelta, ja jotka liittyvät galaktisen halon kautta liikkuviin suuriin kaasuvuoksiin.

Kaksi aluetta erottuivat. Toinen on Kompleksi C, valtava vetykaasupilvi, joka syöksyy kohti Maitotietä. Toinen juontaa juurensa Magellanin virtaan, pitkään kaasumaiseen perään, jonka Pieni ja Suuri Magellanin pilvi ovat jättäneet vuorovesivoimien vaikutuksesta. Kumpikaan pilvi ei ole luonnollinen positronitehdas. Silti molemmat näyttävät himmeän, paljastavan 511 keV:n fotonien hehkun.

Tuo yhdistelmä kertoo toisen tarinan: positronit syntyvät galaksin sisällä ja kulkevat pitkiä matkoja, paeten levystä ja valaisten haloa lopulta annihiloituessaan. Toisin sanoen Maitotie saattaa vuotaa antimateriaa ulkoreunoilleen sen sijaan, että annihilaatiot rajoittuisivat täyteen keskialueisiin, joissa ylimäärä havaittiin ensin.

Jos tämä tulkinta pitää paikkansa, galaksi voi tuottaa suunnilleen kaksi tai kolme kertaa enemmän positroneja kuin aiemmat arviot antoivat ymmärtää, mikä olisi valtava muutos ilmiön suuruusluokassa ja selitys vuosikymmeniä astronomeja ärsyttäneelle ongelmalle.

Tutkijat toimivat varovaisesti. He pilkkoivat INTEGRALin datan osiin, rakensivat kuvia eri ajanjaksoilta ja summasivat vuosien havainnot selvittääkseen, säilyvätkö signaalit. Säilyivät. Kuvio vahvistuu, kun lisää dataa pinotaan, mikä puhuu instrumenttivirheiden tai satunnaisen kohinan sijaan todellisen ilmiön puolesta. Tilastollisesti havainto on noin neljän sigman luokkaa: epätodennäköinen sattuma mutta yhä alle perinteisen viiden sigman rajan, joka vaaditaan viralliseen löytöön korkeaenergisessä astrofysiikassa.

Mikä siis voisi tuottaa niin monia liikkuvia positroneja? Tunnetut astrofysikaaliset lähteet toki vaikuttavat, mutta eivät riittävästi. Joko tutut lähteet syöttävät positroneja nopeuksilla tai kuljetusmekanismeilla, joita aliarvioimme, jolloin ne matkustavat galaktisten tuulien ja magneettikenttien mukana haloon, tai sitten puuttuu jokin lisälähde, mahdollisesti eksoottista hiukkasfysiikkaa tai tunnistamattomia kompakteja kohteita.

Vastaukset riippuvat terävämmistä silmistä. INTEGRALin elinaikaisten havaintojen aineisto antoi ensimmäisen vihjeen siitä, että antimateria voi paeta levystä. Seuraava vaihe kuuluu uuden sukupolven instrumenteille. Nasan suunniteltu Compton-teleskooppi ja spektrometri, jonka laukaisu on ajoitettu vuodelle 2027, on suunniteltu kartoittamaan heikkoja gammasäteilyn linjoja paremmalla herkkyydellä ja on keskeinen halo-signaalien varmistamisessa ja niiden intensiteetin mittaamisessa.

Löytö kääntää sijaintikysymyksen laajemmaksi kysymykseksi galaktisesta ekologiasta: miten hiukkaset syntyvät, kuljetetaan ja tuhoutuvat valtavien avaruusalueiden läpi. Maitotie ei ole suljettu laatikko. Se hengittää, ja joskus tuo hengähdys näyttää vievän antimateriaa pimeyteen.