Choć antymateria istnieje od początku wszechświata, my wiemy o niej od niespełna od stu lat. Cząstki, które powstały wskutek Wielkiego Wybuchu występowały w dwóch odmianach: materialnej i antymaterialnej. I było ich mniej więcej tyle samo.
Każdy proton miał antyproton, każdy neutron miał antyneutron, każdy elektron swój antyelektron. Gdy cząstka łączy się z antycząstką, ulegają anihilacji – zamieniają się w energię (zgodnie ze znanym wzorem E=mc^2), emitowaną w formie promieniowania. Nawet na Ziemi ten proces wciąż zachodzi, choć na bardzo niewielką skalę.
Antymateria jest w bananach i w szpitalach
Średnio co niewiele ponad godzinę antyelektron spotyka elektron by zamienić się w energię wewnątrz banana. Owoce te zawierają dużo potasu i niewielka jego część występuje w postaci mało stabilnego radioaktywnego izotopu (potasu-40). W trakcie jego rozpadu powstają m.in. antyelektrony (pozytony).
Efekt wyzwolenia energii w trakcie anihilacji elektronu i pozytonu wykorzystuje się także w medycynie. Na bazie tego zjawiska funkcjonuje ważne narzędzie diagnostyki obrazowej. Wykorzystujący antymaterię tomograf pozytonowy (PET) wykorzystywany jest, poza onkologią, do badania serca, stawów czy mózgu.
Pacjentowi podaje się niegroźną dla zdrowia dawkę promieniotwórczego izotopu (np. fluor-18). Rozpadając się wyrzuca on z siebie antyelektrony. Spotykają się one z elektronami w tkankach, a pojawiające się wówczas charakterystyczne promieniowanie rejestruje tomograf. Gdy oznaczymy radioaktywnym fluorem cząsteczki glukozy (podstawowego “paliwa” dla komórek), możemy w ten sposób wykryć skupiska komórek nowotworowych, które są bardzo “żarłoczne”.
Mówimy tu jednak o niewielkich ilościach cząstek elementarnych. Na Ziemi nie jesteśmy w stanie wyprodukować większych porcji antymaterii. Uzyskanie całych atomów wymagałoby użycia akceleratorów cząstek i ogromnych energii. Jednak uczeni sądzą, że w kosmosie mogą występować duże naturalne skupiska antymaterii – antygwiazdy.
Detektor łapie antymaterię na orbicie
Po Wielkim Wybuchu – z powodów, które wciąż nie są jasne dla fizyków – materia wygrała z antymaterią. Dlatego my jesteśmy zbudowani z materii, podobnie jak Ziemia czy Słońce. Nad tym, co się stało z antymaterią zastanawiał się już w 1933 roku Paul Dirac w swoim wykładzie noblowskim.
Fizyk, którego nagrodzono za równanie przewidujące istnienie antymaterii, dopuszczał nawet istnienie antyżycia. Skoro mogą istnieć antyatomy, to może gdzieś w kosmosie są zbudowane z nich całe planety, gwiazdy, istoty żywe, a nawet galaktyki?
Przez kolejne dekady nadzieje na znalezienie takich skupisk antymaterii zmalały. Nie zmniejszyły się jednak wysiłki w celu ich wykrycia. Dlatego od kilku lat na orbicie Ziemi mam kosztujący 1,5 mld dolarów instrument AMS-02 (Alpha Magnetic Spectrometer). Jest on połączony z Międzynarodową Stacją Kosmiczną. W 2018 roku wykrył on coś, co zaciekawiło badaczy.
AMS-02 to urządzenie poszukujące antyatomów w przestrzeni kosmicznej. Jest niezwykle czułe. Jeżeli na miliard atomów helu pojawi się choćby jedno jądro antyhelu, on je zarejestruje. Trzy lata temu, instrument wykrył coś, co mogło być atomem antyhelu – z jądrem złożonym z dwóch antyprotonów i dwóch antyneutronów.
Tak uważa Simon Dupourqué, doktorant na wydziale astrofizyki Uniwersytetu w Tuluzie. W czasopiśmie „Physical Review D” opisał, jak – wychodząc od odkrycia antyhelu sprzed kilku lat – wykorzystał bazę danych o obiektach kosmicznych emitujących silne promieniowanie gamma. W ten sposób wytypował 14 potencjalnych gwiazd, których budulcem może być antymateria.
Jak świeci gwiazda z antymaterii
– Promieniowanie kosmiczne może czasami trafić w zwykłą materię, wskutek czego powstają antyprotony czy pozytony. Ale żaden znany nam proces nie potrafi stworzyć czegoś tak złożonego, jak antyhel – przekonuje Simon Dupourqué .
Wraz ze współpracownikami zadał sobie pytanie: skąd właściwie wziął się antyhel wykryty przez AMS-02? Czy mógłby dotrzeć na orbitę Ziemi z odległej antygwiazdy? W teorii to możliwe, bo taka gwiazda “spalałaby” antywodór w trakcie reakcji termojądrowych, w wyniku czego powstawałby antyhel i promieniowanie, w tym światło widzialne. – Wyglądałaby więc całkiem jak każda inna gwiazda – dodaje Simon Dupourqué. Tyle, że wydostająca się z antygwiazdy antymateria stykałaby się szybko ze “zwykłą” materią w postaci międzygwiezdnego gazu i pyłu, ulegając anihilacji.
Naukowcy z Tuluzy przeczesali katalog obiektów wyłapanych przez działający w paśmie gamma teleskop NASA Fermi. Otrzymali listę 14 obiektów na Drodze Mlecznej emitujących promieniowanie gamma, które mogłoby pochodzić z reakcji anihilacji – łączenia się antymaterii z materią.
Wszystko to pozostaje na razie w kategoriach spekulacji. Zespół Simona Dupourqué nie ma pewności, że namierzył antygwiazdy. Zdaniem fizyka odpowiedź jest zapewne inna. – Ale gdyby jednak były to antygwiazdy, ich odkrycie zmieniłoby sposób, w jaki myślimy o powstaniu wszechświata – podkreśla Dupourqué. W takich skupiskach mogłaby ukrywać się antymateria pamiętająca czasy Wielkiego Wybuchu.
Źródła: Physical Review D, LiveScience