Рождение позитронов из космического фотонного фона: новые оценки

Откуда берутся позитроны в космосе? Это одна из нерешенных загадок астрофизики: большинство источников до сих пор не идентифицированы. Новое исследование, опубликованное на arXiv, предлагает количественную оценку рождения электрон-позитронных пар при взаимодействии фотонов космического фонового излучения.

Космический фотонный фон (CPB) — изотропное излучение, охватывающее весь электромагнитный спектр. Ученые вычислили скорость рождения пар из гамма-гамма взаимодействия этого фона с самим собой для красных смещений до z=10, а также определили вклад в аннигиляционное и обратное комптоновское излучение.

Для расчетов фон был разложен на сумму функций серого тела, каждая из которых эволюционировала в соответствии с функциями светимости источников и красным смещением. Затем авторы проинтегрировали энергозависимое сечение взаимодействия по эволюционирующему фону.

Полученная скорость рождения пар резко возрастает от низких значений при z=0 до пика 1,8?10??? пар на кубический сантиметр в секунду при z=2,7, после чего снижается. Суммарная скорость рождения во всей Вселенной до красного смещения 10 составляет порядка 10?? пар в секунду.

Вторичное излучение от обратного комптоновского рассеяния этих пар на фотонах CPB дает заметный вклад в космический гамма-фон (CGB). Особенно в диапазоне от 1 МэВ до 1 ГэВ этот вклад может достигать 20% полного излучения CGB.

Авторы подчеркивают, что пары от космического гамма-гамма поглощения создают минимальный уровень вторичного излучения, который необходимо учитывать при любом анализе CGB. Это может существенно сократить разрыв между наблюдаемыми данными в области МэВ и теоретическими моделями.

Результаты дают новый ключ к пониманию происхождения позитронов и распределения гамма-фона во Вселенной. Дальнейшие наблюдения, в частности в мегаэлектронвольтном диапазоне, помогут проверить эти выводы.