Na sklonku 30. let si francouzští fyzici při experimentech v Alpách všimli „duchů“. Stovky metrů od sebe vzdálené detektory pravidelně nečekaně zaznamenávaly současné „zásahy“ částicemi s vysokou energií. Kde se mohou brát?
Tým vedený fyzikem Pierrem Augerem přišel s chytrým a velmi dobře podloženým vysvětlením: jsou to v podstatě poslední malé kapky ze spršky vzniklé při dopadu částic z opravdu vysokou energií do naší atmosféry. Vřítí se do atmosféry, kde při mnohočetných srážkách s jejími částicemi ztrácejí energii. Vzniká při tom ohromné množství „odpadu“ v podobě nárazem rozbitých částic či částic zcela nově vzniklých (protože podle Einsteina energie je hmota, nezapomeňte).
Auger nepodal zdaleka první důkaz o existenci kosmického záření (ten pochází z roku 1912), ale přesvědčivě ukázal, že původci těchto řetězových nehod na obloze k nám musí přilétat velmi rychle. Podle jeho výpočtu musely mít tyto kosmické částice zhruba milionkrát vyšší energii, než se v té době považovalo za možné. Přesněji řečeno se Auger dopočítal, že se musí jednat o částice s energiemi kolem 1015 elektronvoltů (eV). Což jsou řádově tisíckrát vyšší energie, než jakou mají částice létající největším pozemským urychlovačem LHC (u něj jsou to jednotky teraelektronvoltů, tj. 1012 eV).
Přibližná rekonstrukce dráhy všech částic během jedné spršky, tedy po dopadu jedné částice kosmického záření s extrémně vysokou energií do naší atmosféry.
Dnes už víme, že se Auger trochu mýlil. Ve skutečnosti se objevují i částice s energiemi ještě podstatně vyššími, než čekal. Zachytili jsme i částice s energiemi 1019 eV. Ty nejvzácnější a „nejrychlejší“ mají dokonce více energie, než náboj vystřelený ze vzduchovky. Podařilo se totiž zachytit i stopy příletu částice s energií zhruba 1,5x1020 eV odpovídá zhruba 24 joulům (J). Zákonný limit maximální energie projektilu ze vzduchové zbraně u nás je 16 J, v Německu či Belgii je 7,5 joulu, v Kanadě pak jenom 5,7 joulu.
Jiné přirovnání říká, že takové částice mají řádově stejně energie jako valící se bowlingová koule - ovšem bowlingová koule obsahuje více atomů, než kolik je hvězd. V případě kosmického záření s extrémně vysokými energiemi jde o jedno atomové jádro, někdy možná i jen o jednu částici, obvykle proton.
Podobní rekordmani jsou extrémně vzácní - na čtverečním kilometrů byste jich zachytili jen pár za století - ale částic s energií jen o řád či dva menší už lze zachytit podstatně více (platí zhruba, že částic s o řád nižší energií je zhruba tisíckrát více).
Kde se berou?
Jakmile fyzikové přítomnost rekordních částic odhalili, logicky si začali klást otázku, odkud se berou. Hlavními kandidáty jsou samozřejmě především extrémní objekty, například supermasivní černé díry v jádrech některých galaxií. Otázka visí ve vzduchu už desítky let a zatím na ni nemáme definitivní odpověď. „My jsme alespoň přesvědčivě zjistili, odkud nejsou,“ říká Michael Prouza, ředitel Fyzikálního ústavu v Praze.
Jeden z 1 600 pozemních detektorů observatoře Pierra Augera v Argentině. Jde o vodní nádrž, ve které částice ze spršky zpomalují za vzniku charakteristického Čerenkovova záření.
A to v publikaci, kterou zveřejňuje ve vydání z pátku 22. září letošního roku vědecký časopis Science (je dostupná odsud). Jejími autory jsou desítky fyziků pracujících (byť většinu času jen na dálku ze svých domovských zemí) na tzv. Observatoři Pierra Augera v Argentině. Najdeme mezi nimi i velmi početnou českou skupinu, a to především z pražského Fyzikálního ústavu Akademie věd, ale také z olomouckého Přírodovědecké fakulty na Palackého univerzitě a z pražské Matematicko-fyzikální fakulty Univerzity Karlovy.
Sudy v pampě
Augerova observatoř je mezinárodní projekt, jehož hlavním cílem je právě odpověď na otázku „Odkud se bere kosmické záření o vysokých energiích?“ a tvoří ji 1 600 částicových detektorů v argentinské pampě. Dokážou zachytit stopy dopadu částic kosmického záření do atmosféry na ploše zhruba tří tisíc čtverečních kilometrů, a to hned dvěma způsoby.
Jedním z nich jsou v pravidelných intervalech rozmístěné velké nádrže s vodou, ve kterých detektory zachycují charakteristické záblesky vydávané částicemi ze spršky, když zpomalují ve vodě v detektoru (tzv. Čerenkovovo záření). Observatoř je navíc vybavena ještě další sadou detektorů, které zachycují (fluorescenční) záblesky vznikající během spršky ještě v atmosféře. Ty ovšem pracují pouze za vhodných podmínek - během jasných nocí - a tak fungují statisticky řečeno něco jen přes 20 hodin týdně (cca 13 procent času).
Observatoř provádí měření už zhruba 13 let a za tu dobu se jí podařilo zachytit stopy zhruba 80 tisíc dopadů částic s vysokými energiemi do naší atmosféry, včetně směru jejich příletu. Statistický rozbor těchto výsledků zveřejněný na konci září v Science pak jasně ukazuje, že „kosmické projektily“ těžko mohou být původem z naší galaxie a přichází k nám ze vzdáleného vesmíru. „V tuto chvíli není možné přesně určit, odkud pocházejí, ale toto je první zcela jasný důkaz, že nepocházejí z naší galaxie, například z jejího středu,“ říká Michael Prouza.
Některé další analýzy, včetně dříve publikovaných studií založených na měření Observatoře Pierra Augera, již naznačily, že by snad částice mohly přicházet z některých blízkých galaxií, ale podle Michaela Prouzy bohužel tyto výsledky nejsou dostatečně spolehlivé. I proto, že velkou část vysokoenergetického záření tvoří nabité částice, které při průletu vesmírem mohou snadno měnit směr v magnetickém poli, a tak zpětný odhad jejich přesné dráhy je v podstatě nemožný.
Příklad jedné spršky kosmického záření zachycené Observatoří Pierra Augera v Argentině.
Kam dál
Práce fyziků pracujících na této problematice tedy nekončí. Za prvé se budou nepochybně snažit přijít s metodou, jak přesněji určit, odkud přesně dané částice přicházejí. To je možné především u částic s velmi vysokými energiemi, které mění směr jen pomalu - bohužel, jak jsme si říkali, takových je málo. Ale fyzici a matematici rozhodně mohou přijít například s rafinovanějšími matematickými postupy, které jim umožní přesněji a spolehlivěji spojit zdroje těchto částic s objekty v nebeských katalozích.
Observatoř Pierra Augera také prochází od loňského roku modernizací, která například umožní odlišit v přilétávajícím kosmickém záření lehká jádra - která jsou zase zajímavá proto, že nemění tolik směr - směr jejich příletu lépe odpovídají poloze zdrojů, ve kterých vznikly.
Zároveň se také na observatoř montují další typy detektorů (tzv. scintilátory). Ty mají pomoci přesněji určit observatoří zatím nedokonale měřenou složku spršek kosmického záření, a to tzv. miony. Miony jsou velmi hmotné částice s velmi krátkou životností, ale v daném případě to jejich měření nebrání: miony ze srážek se pohybují tak rychle, že díky „protažení“ (správně dilataci) času známému z teorie relativity bez problémů dorazí od místa svého vzniku v atmosféře až k zemi.
Měření mionů důležitým způsobem doplní naše vnímání událostí na obloze. Observatoř je zatím stavěna tak, aby zaznamenávala stopy srážek v atmosféře. Nejde tedy ani tak o to zachytit všechny kapky ve spršce, ale zachytit z každé spršky alespoň některé, aby si fyzikové mohli do statistik udělat obrazně řečeno čárku (ve skutečnosti se samozřejmě zaznamenává více údajů, včetně směru příletu částice, ale také energie spršky atd.).
Mionové detektory ale umožní doplnit do statistik další údaje, půjde pak především přesněji dopočítat, který typ částice k nám vlastně z dálného vesmíru přiletí. „Teoretici se domnívali, že mezi těmi nejenergetičtějšími částicemi by měly být zastoupeny především protony, ale z našich výsledků se zdá, že mezi nimi je značné zastoupení jader těžších prvků,“ říká Michael Prouza. Jde o další zajímavé fyzikální překvapení z dalekého vesmíru: není totiž ani zdaleka jasné, proč by se měla právě tato jádra urychlovat na extrémně vysoké energie a jak. Stará fyzikální záhada žije novým životem.
Oprava: Opravili jsme překlep v titulku článku a několik v textu.
