Ett observatorium på en bergstopp i Mexiko, byggd och drivs av ett internationellt team av forskare, har fångat den första vidvinkelvyn av gammastrålar som kommer från två snabbt snurrande stjärnor. High-Altitude Water Cherenkov (HAWC) Gamma-Ray Observatory gav ett nytt perspektiv på högenergiljus som strömmar från dessa stjärngrannar, ställer allvarliga tvivel på en möjlig förklaring till ett mystiskt överskott av anti-materia partiklar nära jorden.

2008, astronomer observerade ett oväntat stort antal positroner – elektronernas kusiner mot materia – i omloppsbana några hundra mil ovanför jordens atmosfär. Alltsedan, forskare har diskuterat orsaken till anomalien, delas upp på två konkurrerande teorier om dess ursprung. Vissa föreslog en enkel förklaring:de extra partiklarna kan komma från närliggande kollapsade stjärnor som kallas pulsarer, som snurrar runt flera gånger i sekunden och kastar av sig elektroner, positroner och annat material med våldsam kraft. Andra spekulerade i att de extra positronerna kan komma från processer som involverar mörk materia - det osynliga men genomträngande ämnet som hittills bara setts genom dess gravitationskraft.

Med hjälp av nya data från HAWC-observatoriet, forskare gjorde de första detaljerade mätningarna av två pulsarer som tidigare identifierats som möjliga källor till positronöverskottet. Genom att fånga och räkna ljuspartiklar som strömmar från dessa närliggande stjärnmotorer, HAWC-samarbetsforskare fann att de två pulsarerna sannolikt inte är ursprunget till positronöverskottet. Trots rätt ålder och rätt avstånd från jorden, pulsarerna är omgivna av ett utsträckt grumligt moln som hindrar de flesta positroner från att fly, enligt resultat publicerade den 17 november, 2017 års nummer av tidningen Vetenskap .

"Denna nya mätning är lockande eftersom den starkt ogillar tanken att dessa extra positroner kommer till jorden från två närliggande pulsarer, åtminstone när man antar en relativt enkel modell för hur positroner diffunderar bort från dessa snurrande stjärnor, sa Jordan Goodman, professor i fysik vid University of Maryland och den ledande utredaren och USA:s talesperson för HAWC-samarbetet. "Vår mätning avgör inte frågan till förmån för mörk materia, men varje ny teori som försöker förklara överskottet med hjälp av pulsarer måste ta hänsyn till vad vi har hittat."

Francisco Salesa Greus, huvudförfattaren till den nya artikeln och en vetenskapsman vid Institutet för kärnfysik vid den polska vetenskapsakademin i Krakow, Polen, tillade att "vi är närmare att förstå ursprunget till positronöverskottet efter att ha uteslutit två av de viktigaste källkandidaterna."

Ett öga i himlen

Som med en vanlig kamera, Genom att samla in mycket ljus kan HAWC skapa skarpa bilder av individuella gammastrålningskällor. De mest energiska gammastrålarna har sitt ursprung i stora stjärnors kyrkogårdar, runt stjärnrester som de snurrande pulsarresterna av supernovor. Men det ljuset kommer inte från stjärnorna själva. Istället, det skapas när den snurrande pulsaren accelererar partiklar till extremt höga energier, vilket får dem att krossa i fotoner med lägre energi kvar från det tidiga universum.

Storleken på skräpfältet runt kraftfulla pulsarer, mätt av den fläck av himlen som lyser starkt i gammastrålar, berättar forskarna hur snabbt materia rör sig i förhållande till de snurrande stjärnorna. Detta gör det möjligt för forskare att uppskatta hur snabbt positroner rör sig och hur många positroner som kunde ha nått jorden från en given källa.

Med hjälp av en nyligen publicerad HAWC-katalog över högenergihimlen, forskare har fritagit den närliggande pulsaren Geminga och dess syster – pulsaren PSR B0656+14 – som källor till positronöverskottet. Även om de två är tillräckligt gamla och tillräckligt nära för att ta hänsyn till överskottet, materia driver inte bort från pulsarerna tillräckligt snabbt för att ha nått jorden.

"HAWC-mätningarna för gammastrålning visar att det finns högenergipositroner som flyr från dessa källor, " sa Rubén López-Coto, en forskare vid Max Planck Institute for Nuclear Physics i Heidelberg, Tyskland och en motsvarande författare. "Men enligt vår mätning, de kunde inte nämnvärt bidra till de extra positroner som ses på jorden."

Denna mätning hade inte varit möjlig utan HAWC:s vidsträckta vy. Den skannar kontinuerligt omkring en tredjedel av himlen ovanför, vilket gav forskarna en bred bild av utrymmet runt pulsarerna. Andra observatorier som tittade efter högenergi-gammastrålar med ett mycket smalare synfält missade pulsarernas utsträckta natur.

HAWC-observatoriet ligger på en höjd av 13, 500 fot, flankerar vulkanen Sierra Negra inne i nationalparken Pico de Orizaba i den mexikanska delstaten Puebla. Den består av mer än 300 massiva vattentankar som sitter och väntar på kaskader av partiklar som initieras av högenergipaket av ljus som kallas gammastrålar - av vilka många har mer än 10 miljoner gånger energin hos en tandröntgen.

När dessa gammastrålar slår in i den övre atmosfären, de spränger isär atomer i luften, producerar en skur av partiklar som rör sig med nästan ljusets hastighet mot marken. När denna dusch når HAWC:s tankar, den producerar koordinerade blixtar av blått ljus i vattnet, tillåta forskare att rekonstruera energin och det kosmiska ursprunget till gammastrålningen som startade kaskaden.

"Tack vare det breda synfältet, HAWC tillhandahåller unika mätningar på gammastrålningsprofiler med mycket hög energi som orsakas av partikeldiffusion runt närliggande pulsarer, vilket gör att vi kan bestämma hur snabbt partiklarna diffunderar mer direkt än tidigare mätningar, " säger Hao Zhou, en vetenskapsman vid Los Alamos National Laboratory i New Mexico och en motsvarande författare till den nya artikeln.

Det är möjligt att en ny insikt om astrofysiken hos dessa pulsarer och deras lokala miljöer kan förklara överskottet av positron på jorden, men det skulle kräva en mer komplicerad teori om positrondiffusion än vad fysiker i samarbetet tror är troligt. Å andra sidan, mörk materia kan ge rätt förklaring, men mer bevis kommer i slutändan att behövas för att avgöra.