为什么宇宙中有这么多反物质?普通物质要比反物质丰富得多，但科学家们不断地以正电子的形式探测到越来越多的反物质。到达地球的正电子比标准模型预测的要多。它们来自哪里?
科学家们认为脉冲星是一个来源，一项新的研究加强了这一观点。
正电子是电子的反物质。它们质量相同，但它们带正电而不是带负电。它们是由一些自然发生的放射性同位素衰变产生的，也由一种称为成对产生的过程产生的。但是到达地球的正电子比应该的要多。
2014年，国际空间站上的阿尔法磁谱仪(AMS-02)检测到的正电子比预期的要多，并证实了之前发现同样现象的实验结果。长期以来，科学家们一直认为脉冲星是正电子的一个来源，但这一事实一直难以证实。
在一项新的研究中，研究人员拍摄了一颗名为PSR J2030+4415的脉冲星的图像。他们利用钱德拉x射线天文台捕捉到来自脉冲星的40万亿英里长的物质和反物质束的图像。像这样的脉冲星束可以解释正电子过剩的原因。
这项研究是“PSR J2030+4415的长丝”。该研究发表在《天体物理学杂志通讯》上，作者是斯坦福大学的马丁·德·弗里斯和斯坦福大学的罗杰·w·罗姆尼。
脉冲星是一种高速旋转的中子星，具有强烈的磁场。作为坍缩的恒星，它们很小但密度很大。它们的大小和一个大城市差不多，但它们能喷射出大规模的喷射物。
该研究的主要作者马丁·德·弗里斯(Martijn de Vries)说:“一颗直径只有10英里的脉冲星可以创造出如此大的结构，以至于我们在数千光年之外都能看到它，这太令人惊讶了。”“在相同的相对尺寸下，如果脉冲星的细丝从纽约延伸到洛杉矶，那么它将比肉眼可见的最微小的物体大约小100倍。”
这种灯丝的尺寸让作者认为像它这样的结构可能是正电子的重要来源。脉冲星是一种极端天体，它呈现出快速旋转和强大磁场的结合。这些极端的力量加速了粒子，并产生高能辐射，导致电子和正电子对的产生。爱因斯坦的E=mc2方程解释了这是如何工作的。他的方程展示了质量如何转化为能量，但在这种情况下，这个过程是相反的。
正电子和电子被包含在脉冲星的恒星风中，通常，脉冲星强大的磁场会限制这种风。但是PSR J2030+4415还发生了别的事情。
它在太空中以160万公里/小时(100万mp/h)的速度飞行。脉冲星的风在脉冲星的后面留下痕迹，在它的前面有一个弓形激波。但几十年前，弓形激波停止了，脉冲星和它的风追上了它。这导致了脉冲星和星际磁场之间的相互作用。
“这可能引发了粒子泄漏，”合著者罗杰·罗姆尼(Roger Romani)说。“脉冲星风的磁场与星际磁场连接在一起，高能电子和正电子通过连接形成的喷嘴喷射出来。”
粒子逃逸后，他们发现了新的磁场线。它们放慢速度，沿着星际磁场线以大约三分之一的光速移动。它们会发射x射线，这就是钱德拉所看到的非常长的灯丝。
研究人员以前在脉冲星上观测到正电子，但它们并没有泄漏到星系中。相反，它们存在于脉冲星周围的一种光晕中。这个光晕是脉冲星风星云的残骸，它是在核心坍缩超新星形成脉冲星后不久出现的。在J2030附近观测到的弓形激波是日冕的边缘，正电子被限制在日冕内。
这些观测结果与脉冲星是宇宙反物质来源的观点背道而驰。但是来自PSR J2030+4415的非常长的灯丝表明，正电子可以来自脉冲星，有些甚至可以到达地球。这有助于解释国际空间站上的AMS-02仪器检测到的正电子过多的原因。
这两位研究人员表示，J2030将向我们提供更多关于反物质正电子和脉冲星及其细丝的复杂结构的信息。灯丝的形态特别有趣，因为它是正电子逃逸的根源。虽然J2030的长丝与其他已知的脉冲星长丝相似，但作者指出，它有一些“特殊的特征”。
“它纯粹是单方面的，最初很窄，近似线性扩张，它的通量随距离变化很小，”作者写道。
为了理解这意味着什么，作者参考了2020年之前的一项研究。该研究特别关注了脉冲星穿过ISM时产生的弓形激波的形态，J2030也是如此。
在这项研究中，作者写道:“快速移动的脉冲星风与ISM的相互作用产生了一个有着延伸尾巴的弓形激波星云。在PWN <脉冲星风星云> 的顶点部分，ISM <星际介质> ，ram压力限制了脉冲星风产生两个激波——ISM中的一个正向激波和脉冲星风中的反向/终止激波;接触的不连续将两个冲击分开。”接触不连续是一个过渡层，在这里，它的性质发生了变化，在这种情况下，它是脉冲星风和星际介质之间的一层。
这对PSR J2030+4415发射的正电子至关重要。
“J2030的极端片面性可能与H-alpha气泡速度推断出的异常小的自旋速度角有关，”新研究的作者写道。“……这确保了一个磁半球更接近顶端的扫向磁场。”这促使重新连接到ISM字段线。这种重新连接允许正电子沿着ISM场线逃逸，创造了钱德拉图像中所看到的超长x射线丝。
几十年来，科学家们一直想知道到达地球的正电子的来源。这项研究揭开了反物质周围的一些分层之谜，但它不是决定性的。它只是概括了一个潜在的来源。其他研究则认为脉冲星不可能是源头。
2017年的一项研究表明，即使是附近的脉冲星也太远了，不可能是地球上探测到的反物质的来源。气流太过弥散，到达地球时无法被探测到。“因此，在地球上探测到的多余正电子肯定有一个比附近脉冲星更奇特的来源，”该研究得出结论。
这将我们引向另一个候选来源:神秘的暗物质。正电子可能来自于暗物质粒子的湮灭和衰变。但这是无法观测到的，而且它很大程度上是理论的。
这让我们回到脉冲星。
2017年的研究表明，脉冲星不可能是到达地球的反物质的来源，这并不是这个问题的最后定论。关于脉冲星、弓形激波和ISM磁场线，天文学家还有很多不知道的地方。这篇新论文的作者说，更详细的研究可以加强这样的想法，即PSR J2030+4415这样的脉冲星是到达地球的反物质的来源。
科学家需要更详细的测量来了解脉冲星是否是正电子的重要来源。与一些天体不同，J2030变化迅速，这是理解它的一个问题。作者写道:“我们修改后的J2030弓形激波和灯丝的图像表明，这些结构在10年的时间尺度上快速进化……”“这使得地面观测很难精确测量激波结构和灯丝连接。”
作者们说，他们开始了解这些x射线灯丝什么时候会明亮地闪耀，这表明正电子的发射增加了。如果他们能提前预测耀斑，他们就能组织大规模的x射线成像活动。当与其他数据相结合时，x射线成像的结果将成为“一个探测有效重连所需条件的强大工具”和正电子逃逸。
所有这些工作“…可能对脉冲星宇宙射线正电子通过附近的ISM探测器传播到地球探测器有重要意义，”他们总结道。
虽然反物质听起来像是科幻小说里的武器，但它并不危险。它是完全自然的，而且随着宇宙本身的存在而存在。
但是，到达地球的多余正电子的来源仍然是个谜，科学家们对此很感兴趣。
更多:
新研究:PSR J2030+4415的长丝新闻发布:小恒星释放出巨大的物质束，反物质宇宙今天:脉冲星周围的光晕可以解释为什么我们看到反物质来自太空
