Zaostřeno na vesmírné rekordmany

/ 27.09.2021 /

Optická astronomie využívá jen velmi malou část elektromagnetického spektra. Ze strany krátkých vlnových délek na viditelné světlo navazuje UV záření, rentgenové záření a záření gama. Avšak pokud se týká energie, nejsou gama fotony tím nejenergičtějším, co existuje. Ještě mnohem vyšších energií mohou dosahovat částice kosmického záření. Energie těchto hmotných částic je v řádu EeV (exaelektronvoltů) a končí snad dokonce někde u předpony zeta (10²¹eV). Byly detekovány částice v řádu 10²⁰eV, jejichž energie si již lze lépe představovat v joulech! Kdyby vás například takovýto proton trefil do oka, tak vám ho s přehledem vystřelí, protože to odpovídá přibližně energii, jakou získá kilogramové závaží při pádu z výšky jeden a půl metru! Energii částic můžeme rovněž vyjádřit jejich rychlostí, a tak si položme otázku, jak rychle se vlastně takovéto částice pohybují? Prakticky rychlostí světla. Pokud by k nám například z galaxie M87 vzdálené 53 miliónů světelných let vyletěl současně foton a proton urychlený na energii 10¹⁷eV, zpozdil by se po 53 miliónech let putování vesmírem oproti fotonu jen o 80 milisekund, což odpovídá asi jednomu políčku filmu! A Ty nejvíce energetické částice, které jsou dnes detekovány v řádu 10²⁰eV by se oproti fotonu opozdily pouze o 80 nanosekund!!! Není potřeba dodávat, že takovéto exotické částice svojí energií převyšují nejenergičtější částice produkované uměle v pozemských urychlovačích asi desetmilionkrát….

Avšak, čím vyšší energie částic, tím řídčeji k nám z kosmu přichází a proto, abychom je vůbec zachytili, je nutné budovat detektory s ohromnými sběrnými plochami. Velikou výhodou těchto částic však je, že přestože se jedná o částice s elektrickým nábojem, díky ohromným energiím již prakticky nejsou odchylovány magnetickými poli od přímého letu, a proto lze hledat optické protějšky jejich zdrojů.

Počátek výzkumu kosmického záření je úzce spojen s našim územím. Průkopníkem byl rakouský fyzik Viktor Hess, který v roce 1912 odstartoval s vodíkovým balónem „Boehmen“ z Ústí nad Labem. Během tohoto objevitelského letu zjistil, že nabitých částic s výškou k překvapení všech přibývá a správně odvodil, že toto záření pochází z kosmu.

Dalším význačným vědcem byl Pierre Auger, francouzský fyzik, který v roce 1938 objevil tzv. atmosférické spršky vysokoenergetického kosmického záření. Již tehdy detekoval částice s energiemi v řádu 10¹⁵eV, což je mnohem více než největší energie, které jsme schopni v současnosti vyrobit v urychlovačích!

A nesmíme zapomenout také na jméno Jamese Cronina, nositele Nobelovy ceny a duchovního otce Observatoře Pierra Augera, dnešního největšího výzkumného vědeckého zařízení na světě, pro sledování kosmického záření.

Sprška, kterou objevil Pierre Auger, má v atmosféře charakteristický průběh. Primární částice dopadne do atmosféry naší Země a tam interaguje s nějakou molekulou, přičemž se rozbije na další částice. V případě vysokých energií na mnoho částic a tyto částice se dalšími srážkami stále množí. Nakonec se vytvoří obrovské množství sekundárních částic, které se rozptýlí až na plochu několika kilometrů čtverečních. Kaskáda sekundárních částic má ale stále nižší a nižší energie, a když už jejich energie nestačí na vytvoření nových částic, sprška vymírá. Podle intenzity tvorby sekundárních částic a podle výšky, ve které začne docházet k vymírání spršky lze teoreticky určit energii i typ částice, která celou spršku způsobila.

Zdroje kosmického záření lze rozdělit podle energií. Nízkoenergetické nabité částice pochází například ze Slunce. Prakticky je můžeme sledovat i očima, když se částice slunečního větru dostanou podél indukčních čar magnetického pole Země do atmosféry, vytvoří překrásné polární záře. Více energetické částice pochází z různých galaktických zdrojů, ale ty s úplně největšími energiemi přichází zřejmě z extragalaktických objektů.

Podle teorie, takovéto objekty musí mít buď obrovské rozměry, nebo extrémně silné magnetické pole. V úvahu připadají aktivní galaktická jádra, zábleskové zdroje gama, velmi specifické neutronové hvězdy a výtrysky z rádiových galaxií. Avšak žádný z těchto zdrojů nedokáže ultraenergetické částice vyrábět naprosto běžně, spíše je dokáží vytvářet jenom stěží. Možná se ve skutečnosti jedná o různé jejich kombinace.

A aby záhad nebylo málo, celý vesmír je prostoupen reliktním zářením a velmi energetické částice by s ním měly mít tendenci interagovat. Vysokoenergetické částice bychom proto neměli detekovat z objektů v kosmologických vzdálenostech, ale jen v našem relativně blízkém kosmickém okolí. Jenže kde? Existují vůbec takovéto zdroje? Možná naše pozorování interpretujeme zcela chybně. A je také dobře možné, že vysokoenergetické částice kosmického záření nám naznačují, že samotná fyzika funguje jinak, než si představujeme.

Největším zařízením pro detekci kosmického záření na světě je v současnosti Observatoř Pierra Augera v Argentině. Jedná se o tzv. hybridní observatoř, detekující částice dvěma zcela odlišnými metodami. Povrchové stanice jsou nádrže naplněné vodou, uvnitř kterých vzniká tzv. Čerenkovovo záření. Tyto detektory dokáží určit směr odkud částice přilétají a rovněž energie primárních částic. Druhou technikou je pozorování spršek přímo ve vzduchu. Slouží k tomu 24 obřích Schmidtových komor se zorným polem 30x30 stupňů. Hlavní výhodou je možnost studia výšky maxim spršek. Tím lze teoreticky určit chemické složení příchozích částic, ale prakticky lze takovéto rozlišení provést neobyčejně obtížně. Chemické složení kosmického záření v závislosti na energiích je v současnosti asi největší záhada. Jsou to protony, jádra helia, dusíku, železa, či něco úplně jiného?

Pokud se týká studia směrů příletů jednotlivých vysokoenergetických částic, nejeví se nyní prakticky žádný výrazný bodový zdroj. Možná se něco vyjeví, až bude k dispozici více dat. Ale pokud se týká velkých škál, tam se situace ukázala poněkud odlišná. Vědci získali první důkaz toho, že částice vysokoenergetické kosmického záření přichází z extragalaktických objektů. Čeští astronomové publikovali tento objev v časopise Science a byl to natolik překvapivý výsledek, že časopis Physics world zařadil tuto práci jako jednu z deseti nejvíce průlomových na světě v roce 2017!

Novou a velice zajímavou věcí je, že Observatoř Pierra Augera dokáže detekovat také neutrina! Otevírá se tím nová éra spolupráce a sdílení informací s dalšími špičkovými světovými vědeckými laboratořemi, jako jsou například detektory gravitačních vln. Navíc se na Observatoři Pierra Augera instalují na povrchové nové scintilační detektory, které pomohou při určování chemického složení sledovaných částic a dále antény pro pozorování spršek pracující na kmitočtu 80 MHz, což je v podstatě třetí způsob detekce.

Je toho ještě velmi mnoho, co o přírodě a vesmíru nevíme a na co nám může studium kosmického záření dát odpověď. Česká republika je sice malá země, ale žijí zde velice šikovní lidé. Observatoř Pierra Augera je špičkové vědecké zařízení a my můžeme být hrdí, že mezi více než 500 fyziky z téměř 100 institucí celého světa zde hrají čeští astronomové velice výraznou roli. Jsme moc rádi, že naše přední vědkyně, RNDr. Martina Boháčová, Ph.D., přijala pozvání vystoupit na naší hvězdárně.

Přednáška byla velice zajímavá a těšila se zasloužené pozornosti. Počasí nám však bohužel nepřálo a tak plánované večerní veřejné pozorování již nebylo možné uskutečnit. Ale i tak si návštěvníci „Noci vědců 2021“ přišli na své.

Martině Boháčové to s její malou Anežkou na ždánické hvězdárně moc slušelo.