Номер ?3, страница 217, часть 2 - гдз по физике 9 класс учебник Белага, Воронцова

Часть 2. Глава 12. Строение и эволюция вселенной. Параграф 115. Решение задач. Вопросы для обсуждения - номер ?3, страница 217.

Условие.

Есть гипотеза, что во Вселенной могут существовать галактики, состоящие из антивещества. Как вы думаете, могут ли они быть обнаружены имеющимися на сегодня средствами наблюдения?

Решение.

Гипотеза о существовании галактик из антивещества является очень интересной, однако их обнаружение — чрезвычайно сложная задача. Существует два основных способа попытаться их найти: по излучаемому свету и по продуктам аннигиляции.

1. Наблюдение в электромагнитном спектре (свет, радиоволны и т.д.).

Антизвезда, состоящая из антипротонов, антинейтронов и позитронов, будет проходить через те же стадии эволюции и термоядерного синтеза, что и обычная звезда. Процессы, приводящие к излучению света (фотонов), абсолютно идентичны. Фотон является своей собственной античастицей, поэтому свет от «антизвезды» ничем не отличается от света обычной звезды. Таким образом, наблюдая галактику в оптический, инфракрасный или любой другой телескоп, невозможно определить, состоит она из вещества или антивещества. По внешнему виду она будет точно такой же.

2. Наблюдение продуктов аннигиляции.

Это наиболее перспективный метод. Ключ к обнаружению антиматерии лежит в процессе аннигиляции. Когда частица и ее античастица сталкиваются, они взаимоуничтожаются, выделяя огромное количество энергии в виде других частиц, в первую очередь — гамма-квантов (фотонов очень высокой энергии).

Если бы во Вселенной существовала галактика из антивещества, она не была бы полностью изолирована. Она бы контактировала с межгалактическим газом, который состоит из обычного вещества (протонов и электронов). На границе такой «антигалактики» и межгалактической среды происходила бы постоянная аннигиляция. Этот процесс порождал бы мощное и, что самое главное, характерное гамма-излучение. Например, при аннигиляции электрона и позитрона ($e^{-} + e^{+}$) рождаются два гамма-кванта с очень специфической энергией — 511 кэВ каждый. Аннигиляция протона и антипротона ($p + \bar{p}$) приводит к более сложному каскаду реакций, но также создает предсказуемый спектр гамма-лучей.

Современные средства наблюдения, такие как космические гамма-телескопы (например, космическая обсерватория «Ферми»), обладают достаточной чувствительностью, чтобы обнаружить такое излучение. Ученые целенаправленно ищут подобные сигнатуры в космосе, особенно на границах скоплений галактик, где смешение вещества и гипотетического антивещества было бы наиболее вероятным.

На сегодняшний день никаких признаков крупномасштабной аннигиляции вещества и антивещества во Вселенной не обнаружено. Наблюдаемый фон гамма-излучения не содержит особенностей, которые указывали бы на существование «антигалактик». Это является сильным аргументом в пользу того, что вся наблюдаемая нами Вселенная состоит преимущественно из вещества. Почему так произошло — одна из величайших загадок современной физики (проблема барионной асимметрии).

Ответ: Да, теоретически галактики из антивещества могут быть обнаружены имеющимися средствами наблюдения. Однако не по их свету (он будет таким же, как у обычных галактик), а по уникальному гамма-излучению, которое возникает при аннигиляции антивещества на границе с обычным межгалактическим веществом. Современные гамма-телескопы способны зафиксировать такое излучение. Поскольку до сих пор подобных сигналов не было обнаружено, большинство ученых считает, что галактик из антивещества в наблюдаемой Вселенной, скорее всего, не существует.