Geminga, el púlsar proper a la Terra, ens estaria bombardejant amb antimatèria

Un mapa de fonts d'emissió gamma elaborat amb observacions del satèl·lit Fermi. Crèdit NASA

Les observacions realitzades durant una dècada amb el telescopi gamma en òrbita de la NASA, Fermi, demostren que el púlsar Geminga està envoltat per un important halo de positrons. Com que es troba a uns 800 anys llum del sistema solar, una gran part del flux d’antimatèria que bombardeja la Terra podria provenir d’aquest púlsar gamma.

Quan Paul Dirac va descobrir el 1928 una generalització relativista de la equació de Schrödinger que descriu un electró, també va descobrir que no només preveia l’espiració i el moment magnètic d’aquesta partícula a partir de consideracions en gran mesura relacionades amb les matemàtiques pures, sinó que també l'existència de partícules noves d’energies negatives pels mateixos motius. Dos anys després, va trobar una solució a les dificultats que comporta aquestes noves partícules posant les bases de la teoria moderna de l'antimatèria. Després va pensar que els protons, d’energia i de càrrega positiva, són les noves partícules de la seva equació en determinades situacions. La seva equació va predir una massa idèntica a la de l’electró, però, reticent a postular realment l’existència d’una nova partícula elemental mai abans observada, va pensar que la massa gairebé 2.000 vegades més gran del nucli d’hidrogen es devia interaccions encara difícils de calcular en el camp de l’electrodinàmica quàntica relativista que estava explorant. 

El 1932, el físic Carl Anderson va descobrir finalment en els raigs còsmics un exemple de partícules de Dirac exòtiques que es comporten com un electró, una mateixa massa, un gir, etc., però amb una càrrega positiva. La taula de partícules elementals és complicada, però finalment és un nou triomf per a Dirac i també per a Plató i Pitàgores ja que l’existència del que ara s’anomena positró es basa en consideracions matemàtiques molt abstractes, la teoria de les matrius i espinors i l'existència d'arrels quadrades negatives per a l'energia quàntica d'una partícula segons la teoria de la relativitat especial.

Clic per engrandir. Un mapa de cel de raigs gamma obtingut a partir del satèl·lit Fermi.
S’indiquen diverses fonts, entre les quals els púlsars de Cranc, Vela i Geminga. El perfil
del disc de la Via Làctia és clarament visible. © NASA 

Antimatèria produïda per la matèria fosca?

L’estudi de les partícules antimatèria en els raigs còsmics ha continuat, sobretot perquè entre les modernes teories quàntiques relativistes relacionades amb l’existència de les famoses partícules de matèria fosca, de vegades també sobre bases matemàtiques gairebé pures en relació amb la teoria de la relativitat (en aquest cas la supersimetria i fins i tot la supergravetat), alguns prediuen que aquestes partícules poden aniquilar-se amb les seves pròpies antipartícules donant electrons i positrons.

Ara, en el marc del Model Cosmològic Estàndard amb partícules de matèria fosca, es podria esperar observar en òrbita al voltant de la Terra en el flux de raigs còsmics primaris un excés de partícules antimatèria, en aquest cas els positrons, a certes energies, traeixen la presència de partícules de matèria fosca a la Via Làctia, principalment al seu cor. De fet, s’ha detectat un excés d’aquest tipus, en particular pel detector AMS 02 a bord de la EEI.

Malauradament, tal com han pensat diversos investigadors durant anys, un article publicat a Physical Review D i disponible gratuïtament a arXiv reforça la hipòtesi que les anomalies observades en el flux antimatèria que bombardeja la Terra es deuen, de fet, a processos d'astrofísica ordinària, principalment púlsars prop del Sistema Solar.

Geminga, el pulsar gamma i el seu halo antimatèria. Podeu accedir a la vostra subtitulació
preferida a la configuració del vídeo. © NASA Goddard

Un grup d’astrofísics italians ha analitzat efectivament les observacions realitzades durant una dècada en astronomia gamma pel satèl·lit Fermi sobre una font coneguda anomenada Geminga, descoberta el 1972 amb el satèl·lit Small Astronomy 2. S'havia observat en direcció a la constel·lació de Gemini, però no va ser fins a les mesures en el camp dels raigs X, realitzades el 1991 mitjançant el satèl·lit ROSAT, per entendre que estàvem en presència d'un polsar gamma situada a tan sols 815 anys llum del Sistema Solar.

La PSR J0633+1746, el seu nom tècnic, no és visible en el domini radiofònic, però la podem veure pulsant en els rajos X (per a la petita història Geminga és a la vegada un joc sobre l'expressió "font de rajos gamma Gemini i l'expressió "no hi ha res allà" en el dialecte de Milà, Itàlia, perquè es refereix a la incapacitat dels astrònoms de trobar l'objecte a la ràdio) i aquesta és un dels púlsars gamma més brillants del cel. 

Un halo de positrons traïts per fotons gamma

Mattia Di Mauro i els seus col·legues van descobrir que Geminga estava envoltada en realitat per un halo gamma oval més gran del que s’imaginaven en observacions anteriors en el camp dels rajos gamma a energies més elevades, en aquesta ocasió amb l' instrument de l'Observatori de rajos gamma gamma de Cherenkov (HAWC). Tal com va explicar Aurélien Barrau al blog que Futura va posar a la seva disposició, les observacions de HAWC no eren favorables perquè fos una font important de positrons. Però, destacant un halo la mida de la volta celeste és 40 vegades més gran que la de la lluna plena sota la mirada de Fermi, les conclusions que se’n poden treure canvien la situació perquè les seves característiques són les previstes amb ordinador amb un gran núvol de positrons xocant amb fotons a baixes energies, cosa que els proporciona per efecte Compton més energia fins al punt que es converteixen en fotons gamma.

Segons els investigadors, és possible explicar almenys el 20% dels positrons del flux anormal mesurat amb AMS 02 per les emissions d’aquestes partícules al medi interestel·lar de Geminga. Com no és possible rastrejar exactament l’origen d’aquests positrons perquè es desvien caòticament pels camps magnètics de la Via Làctia (tècnicament per tant s’han de moure d’acord amb les lleis d’un passeig aleatori, com diuen en física) i que hi ha d’haver altres púlsars propers al Sol, però encara sense ser detectats, és difícil doncs, no arribar a la conclusió que el bombardeig d'antimatèria que pateix la Terra amb els positrons observats probablement no assenyala l'existència indirecta de partícules de matèria fosca. 

Una presentació dels púlsars i les partícules que produeixen, electrons, positrons, fotons
gamma i ràdio. Trieu l'idioma preferit de subtitulació a configuració del vídeo. © NASA Goddard

No és difícil entendre l’origen dels positrons produïts pels púlsars. Per a això, cal recordar que es tracta de cadàvers estel·lars, el punt final de l'evolució de certes estrelles que van explotar a la supernova del SN II mentre es col·lapsaven gravitativament i donen el que s'anomenen estrelles de neutrons. Aquestes estrelles giren sobre si mateixes i tenen un camp magnètic dipolar intens com el de la Terra o el Sol. Aquest dipol pot estar inclinat o no en relació amb l’eix de rotació de l’estrella que gira en el seu camp magnètic. Un efecte relativista fa que aquest camp magnètic es comporti com un camp elèctric molt intens a la superfície de les estrelles de neutrons. Aquest camp es descompon i accelera electrons que es mouran en el camp magnètic i produeixen en cascada parells electró-positró mitjançant col·lisions amb els fotons de la radiació també produïts pels púlsars.

Ho he vist aquí.