A. W R Ó B L E W S K I
D okonane o sta tn io odkrycia a n ty p rotonu (wrzesień 1955) i an ty n e u tro n u (wrzesień 1956) potw ierdziły w zupełności1 h ipotezę o całkow itej sy m etrii m a terii i a n ty m a te rii. W szystkie p ra w a p rzy ro d y o k az u ją się niezm ienne w zględem operacji sprzężenia ła d u n kowego (charge conjugation), p rzy której cząstki przechodzą w a n ty cz ąstk i, a pola e lek tro m a g n ety c zn e zm ieniają znak.
Ze w zględu n a to, że św iat nasz (przynajm niej najbliższe okolice) zbudow any je s t ze zwykłej m a terii, a n ty m a te ria nie może istnieć n a Ziemi trw ale. N ato m ia st w p rz e strzen i pustej lub w obszarach, gdzie gęstość zw ykłej m a te rii je st bardzo m ała, a n ty m a teria je s t trw ała . Ze w zględu n a ca łkow itą sym etrię obu p ostaci m aterii m ożna p rz y puszczać, że W szechśw iat m oże być zb udow any sy m etry czn ie z a n ty m a te rii i m a terii zw ykłej. G dyby je d n ak n aw e t istn iały an ty g w iazd y czy a n ty g ala k ty k i, to p rz y użyciu m etod spektroskopow ych odróżnienie ich od zw ykłych gw iazd czy g a la k ty k b y łoby niem ożliw e. Je d y n ie n a p odstaw ie obserw acji anih ilacji — procesu n ajb ard ziej c h a rak te ry sty cz n eg o dla a n ty m a te rii — m ożna wńioskować. coś o jej istnieniu we W szech świecie.
J u ż w ro k u 1944 fizyk szw edzki O. K l e i n [1] w ysunął hipotezę, w edług któ rej olbrzym ie energie cząstek pierw otnego prom ieniow ania kosm icznego p o w sta ją właśni© w skutek procesów an ihilacji m aterii i a n ty m a te rii, zachodzących w p rzestrzeniach m iędzygalaktycznych. O kazało się je d n a k , że tłum aczenie to je s t m ało praw dopodobne. W iadom o bow iem , że głów nym i skład n ik am i w szechśw iata są pierw iastk i najlżejsze: w odór i hel. E n erg ia w ydzielająca się p rz y anih ilacji ta k lekkich pierw iastków je s t s to sunkow o niew ielka: p rz y anih ilacji helu i a n ty h e lu — około 8 x 109eV. T ym czasem w prom ieniow aniu kosm icznym obserw ujem y cząstki o energii 1017 eV, a p raw dopodobnie n aw e t 1020 eV. N aw et p rz y anih ilacji najcięższych pierw iastków w ydziela się energia zaledw ie 5 x 10n eV. N ależałoby więc założyć, że w przestrzen iach zachodzi anih ilacja w iększych grudek m a te rii i a n ty m a te rii, co je s t m ało praw dopodobne.
Je śli więc n aw e t procesy an ih ila cy jn e są źródłem cząstek wielkiej energii, to i ta k m usi istnieć ja k iś m echanizm przyspieszający je do w yższych energii. T akim m echanim em m ógłby być n a p rzy k ła d m echanizm Ferm iego (1949). P rzypuszczenie K leina nie je s t więc sam o d o sta te czn y m dow odem n a to , że, we wszechświecie istn ieje a n ty m a te ria .
1 4 2 7j literatury naukowej
w ysunęli now ą hipotezę, przy pom ocy k tó rej w y k az u ją możliwość istn ien ia a n ty m a te rii [2] R ozw ażania B urb id g e’a i H oyle’a są ta k interesujące, że w arto je obszerniej omówić. A u to rom u d a je się m iędzy in n y m i ocenić g ó rn ą granicę zaw artości a n ty m a te rii w p rz e strz e niach m iędzygw iezdnych naszej g alak ty k i.
P rzy p u śćm y , że w gazie m iędzygw iazdow ym istn ie ją obie fo rm y m a terii i ozn.aczmy
ich gęstości (liczby atom ów n a cm 3) odpow iednio przez (m aterii) i » _ (an ty m ate rii).
P rzekrój czy n n y n a an ih ilację ty c h dw óch form m a te rii m oże b yć w zięty ja k o 10~26e/u cm 2, gdzie v je s t w zględną prędkością zderzenia, a c -r- p rędkością św iatła. S tą d energia w y tw o rzo n a w ciągu sekundy w objętości cm 3 je s t rzędu 10~l7w+ «,_ergów. K ońcow ym i p ro d u k ta m i aniliilacji są: elek tro n y d o d a tn ie i ujem ne, k w a n ty y oraz n e u trin a . D roga sw obodna k w antów y n a tw orzenie p a r je s t w w a ru n k ac h p rze strzen i m iędzygw iezdnej rzędu 1024 cm , energia y je s t więc, podobnie ja k i energia neutrinów , bezpow rotnie t r a cona. P o zo sta je w G alaktyce jed y n ie energia niesiona przez e lek tro n y (około 10°/0 całk o w itej energii aniliilacji). E le k tro n y te m a ją energię rzędu 100 McV. Czas życia ta k ic h elektronów (do z a trzy m a n ia ) oceniany je s t przez au to ró w n a 1014 sek. Je śli w ięc w ciągu se k u n d y w ce n ty m e trze sześciennym energia w y dzielająca się w p o sta ci szybkich e le k tro nów w ynosi 10-18Ji+ rt_ergów , to biorąc po d uw agę czas życia elektronów , obecna gęstość energii elektronów w ynosi około 10_4n + n _ ergów /cni3. A u to rzy tw ierd zą, że obecnie w artość t a nie może p rzekraczać 10-11 ergów /cm 3, w przeciw nym bow iem razie ciśnienie w yw ołane przez elek tro n y w yw ołałoby nagrzew anie i ru ch y gazu m iędzygw iazdow ego w skali o wiele większej niż to dziś obserw ujem y. Je śli w ięc p rzy jm u jem y , że gęstość zw ykłej m a te rii w przestrzen i m iędzygw iazdow ej w ynosi 1 ato m /c m 3 to gęstość a n t y m aterii nie m oże p rzekraczać 10~7 atom ów /cm 3.
Je śli u zn a m y te n w ynik za słuszny, to p o w sta je p y ta n ie , w ja k i sposób d robne ilości a n ty m a te rii d o sta ją się obecnie do naszej G ala k ty k i. Czas życia a n ty a to m u na a n ih i lację je s t bowiem rzędu 1014 sek, a więc w szystkie ato m y a n ty m a te rii, k tó re m ogły p ow stać p rz y tw orzeniu się G a la k ty k i (około 1017 sek tem u ) daw no ju ż uległy aniliilacji. Je że li przy jm iem y , że gęstość a n ty m a te rii w G alak ty ce p o zo staje sta ła , to ła tw o z p o w yższych liczb w yliczyć, że w ciągu se k u n d y m usi się tw orzyć 3 • 10"22 atom ów a n t y m aterii n a cm 3. W a rto ść t a je s t p o d sta w ą dalszych rozw ażań.
Coraz więcej d an y c h w skazuje obecnie n a to , że prom ieniow anie radiow e G ala k ty k i je s t po p ro stu prom ieniow aniem w ysyłanym przez szybkie elek tro n y , p o ru szające się w po lach m ag n ety czn y ch (tzw . prom ieniow anie synchrotronow e). A u to rzy tw ierdzą, że e lek tro n y te są d o starczan e w łaśnie przez proces aniliilacji, chociaż, ich zdaniem , n ie w yklucza to in n y c h możliwości p ro d u k c ji en ergetycznych elektronów , np. podczas w ybuchów Supernow ych czy też w sk u tek o ddziaływ ań ją d ro w y c h [3].
J e d n a k prom ieniow anie sy nchrotronow e elektronów o energii rzęd u 100 MeV w polu m agn ety czn y m rzę d u 10-5 gaussów (średnia d la G ala k ty k i) m a częstość k ry ty c z n ą około 2 Mhz, co leży daleko poza pasm em dostęp n y m dla obserw acji z Ziemi. P o za ty m p rom ieniow anie o tej częstości je s t silnie po ch łan ian e przez gaz m iędzygw iazdow y. P o z o sta ją więc dw ie możliwości: energia, elektronów m oże wzrastało do n p 1 GeV (m e chanizm Ferm iego) lub te ż istn ie ją w G ala k ty c e m iejsca, gdzie lokalnie n atężen ie pola m agnetycznego jest rzędu 10“ '— 10~3 gaussów (częstość k ry ty c z n a em isji elektronów w z ra sta w ówczas do 20— 200 M hz). Obie możliwości nie w y k lu cz ają się oczywiście n aw zajem . Je że li słuszna je s t pierw sza z nich, to m ożna w ykazać, że o trzy m an e w idm o p rom ieniow ania radiow ego będzie prop o rcjo n aln e do d v /v ^ -1^ 2. W drugim p rz y p a d k u d o sta n ie m y n a to m ia st w idm o p ro p o rcjo n aln e do dv. P ierw szy p rzy p a d e k a u to rz y w iążą z silnym źródłem z gw iazdozbioru K assjopei, którego w idm o je s t p ro p o rcjo n aln e do
d r/v1'3, d ru g i n a to m ia st z m gław icą K ra b . Je śli chodzi o tę mgław icę, to są dan e k u tem u,
7j literatury n aukow ej 143
Objętość mgławicy Krab wynosi obecnie około 1056 cm3 [5], a więc całkowita energia zawartych w niej elektronów anihiłacji wynosi około 1046 ergów. Zakładając maxwel- lowski rozkład energii elektronów, autorzy otrzymują na natężenie promieniowania radiowego mgławicy Krab wartość 1033 erg/sek. Wartość ta dobrze zgadza się z danymi
doświadczalnymi — 7
x
103'- erg/sek [0].Następnie autorzy rozpatrują niektóre pozagałaktyczne źródła promieniowania radiowego i tu również uzyskują zadziwiającą zgodność z danymi obserwacyjnymi. Energia promieniowania tych źródeł waha się od 1037 erg/sek dla normalnych galaktyk (typu np. M 31), poprzez 1041 ergów/sek dla M 87, aż do 1044 ergów/sek dla źródła w gwia zdozbiorze Łabędzia. Zakładając otrzymaną powyżej szybkość anihiłacji, autorzy otrzy mują dla M 87 energię promieniowania rzędu 1042 ergów/sek, a dla źródła w Łabędziu
1044 ergów/sek. Zgodność z danymi obserwacyjnymi jest więc duża.
Dlaczego niektóre galaktyki są bardzo silnymi źródłami promieniowania radiowego? Autorzy wysuwają tu myśl, o której sami mówią, że graniczy z fantazją. Według nich źródło w Łabędziu przedstawia po prostu dwie zderzające się galaktyki: jedną zbu dowaną z antymaterii, drugą ze zwykłej materii. Szybkość anihiłacji jest wtedy większa niż w normalnych galaktykach.
Wreszcie autorzy wskazują na jeszcze jedną zgodność liczbową. W teorii stacjo narnego rozszerzającego się wszechświata przyjmuje się, że szybkość tworzenia się ma
terii w cm3 wynosi 5
x
10-46 g/sek [7]. Jeżeli przyjąć, że obie postacie materii tworząsię w jednakowych ilościach, to otrzymujemy zgodność z poprzednio otrzymaną war tością szybkości tworzenia się antymaterii. Autorzy zwracają uwagę, że jest mało prawdopodobne, aby te wszystkie zgodności liczbowe były przypadkowe. Je st to ich zdaniem poważny argument za istnieniem antymaterii we wszechświecie.
L IT E R A T U R A [1] O. K le in , Arkiv Mat. Astr. och Fysikfc 31, 3 (1945).
[2] Gr. R. B u r b id g e , P. H o y le , Nuovo Cimento, 4, 558, (1950). [3] G. R. B u r b id g e , Pliys. Rev. 103, 204 (1950).
[4] J . H. O o rt, T. W a lr a v a n , Bull. Astron. Soc. Netherlands, 12, 285, (1950). [5] W . B a a d e , Astrophys. Journal, 96, 188 (1942).
[0] J . L. G r e e n s te in , R. M in k o w sk i, Astroph. Journal, 119, 238 (1954). [7] F . H o y le, Monthly Notices, Roy. Astr. Soc. 108, 372 (1948).