Záhadné kosmické paprsky odhaleny. Vědci je vystopovali

Mezinárodní tým astrofyziků pravděpodobně rozřešil jednu ze záhad vesmíru. Dlouhá desetiletí se nevědělo, odkud přichází kosmické paprsky bombardující Zemi. Nyní vědci díky pozorování na Observatoři Pierra Augera zjistili, že zdrojem jsou obří černé díry v jádrech blízkých aktivních galaxií.

Kosmické paprsky - Upravený obrázek dle CERN

Letem světem o kosmických paprscích

Kosmické paprsky byly prvně objeveny už takřka před stoletím, přesněji v roce 1912, kdy rakouský fyzik Victor Hess nalezl „velice pronikavé záření z vesmíru.“ Tehdy se v balonu jménem Böhmen vznesl z Ústí nad Labem do vzduchu s cílem zkoumat atmosférickou elektřinu, která v té době byla spojována čistě s pozemskou radioaktivitu. Se svými kolegy se dostal do výšky více než pěti kilometrů, ale zjistili něco zcela jiného, než čekali: atmosférická elektřina (ionizace vzduchu) nebyla vůbec pozemského původu, ale svoji příčinu měla ve vesmíru, jelikož míra ionizace vzduchu s výškou nad povrchem Země neklesala, ale naopak stoupala. Za svůj objev „kosmických paprsků“ si v roce 1936 vysloužil Nobelovu cenu.

Výzkum paprsků pokračoval i v následujících desetiletích, třebaže vědci dlouho tápali ve tmě. Neznali ani zdroj záření, ale ani jeho složení. Průlom přišel až v roce 1937, kdy Pierre Auger objevil rozsáhlé (sekundární) spršky kosmického záření vzniklé při interakcích (primárního) kosmické záření se zemskou atmosférou. Ač byl výzkum na tomto poli fyziky intenzivní, pořád se nevědělo, odkud částice přicházejí. Postupem času se zjistilo, že částice s nízkou energií přicházejí přímo z našeho Slunce, některé energetičtější z míst naší galaxie, jiné dokonce z cizích galaxií. Za jejich vznikem podle astrofyzikálních modelů stojí procesy spojené s neutronovými hvězdami či výbuchy supernov. Ovšem jeden velký problém zde zůstával s těmi vůbec nejenergetičtějšími částicemi označovanými jako UHECR (Ultrahigh-energy cosmic rays), jež byly prvně pozorovány v 60. letech 20. století. O jejich původu se doteď nevědělo takřka nic. Právě na tento druh záření se zaměřily stovky vědců z Augerovy observatoře v Argentině.

Vědeckému týmu složenému z 370 pracovníků z bezmála 90 institucí z celého světa se pomocí více než tisícovky detektorů rozmístěných na území o velikosti 3 000 km² podařilo lapit 27 částic kosmického záření s tou nejvyšší energií (nad 10¹⁹ eletronvoltů; takto „napumpované“ částice jsou velice vzácné). Výzkum ukázal, že s největší pravděpodobností pocházejí z jader aktivních galaxií. Ačkoliv jednu záhadu rozluštili, čeká je další práce: doufají totiž, že díky svému objevu lépe pochopí, jak přesně dochází k enormnímu urychlování částic tvořících tyto kosmické paprsky.

Nejenergetičtější částice ve vesmíru

Jelikož částice UHECR mají enormně vysoké energie, fyzici už dlouho měli podezření, že nejspíše vznikají při velice bouřlivých astrofyzikálních událostech. Hlavním kandidátem, který přicházel v úvahu, byla jádra aktivních galaxií, které dle modelů obsahují obří černé díry. Ty do sebe nasávají ohromné množství hmoty, která se předtím, než spadne do bezedné propasti, přemění ve velice žhavé plazma. Fyzici se domnívají, že v důsledku magnetických nestabilit v tomto plazmatu vznikají elektromagnetické rázové vlny, které urychlují volné protony a těžší atomová jádra na ultravysoké energie. Nicméně i tak vědci stále přesnou podstatu urychlení neznají.

Částice UHECR velice snadno ztrácejí svou energii, protože se rozptylují na reliktním záření (mikrovlnném kosmickém pozadí), což jinými slovy znamená, že moc daleko nedoletí. Tento rapidní pokles v počtu kosmických paprsků nad určitou energií – tzv. GZK efekt – znamená, že částice UHECR musejí přicházet z poměrně blízkých zdrojů, jako jsou zmíněná jádra aktivních galaxií relativně blízkých Zemi. Jak ukazuje teorie, částice s energií asi 5x10¹⁹ elektronvoltů nemohou urazit více než přibližně 100 megaparseků, což je asi 330 milionů světelných let.

Na co se přišlo a jak

Na Augerově observatoři se pozorují (sekundární) spršky částic vznikající při srážce kosmických paprsků s molekulami atmosféry. Observatoř se skládá z 1600 vodních nádrží určených pro detekci tzv. Čerenkovova záření vznikajícího ze sekundárních spršek kosmického záření. Oblohu nad nádržemi monitorují čtyři atmosférické fluorescenční detektory schopné vypátrat sekundární spršky částic v atmosféře.

Vědci na Augerově observatoři sbírali data více než tři a půl roku a za tuto dobu detekovali 27 kosmických paprsků s energiemi vyššími než 5,7x10¹⁹ elektronvoltů. Dvacet z nich pochází z jader aktivních galaxiích bližších než 75 megaparseků od Země (asi 250 milionů světelných let). Podle členů vědeckého týmu je velice nepravděpodobné, aby to byla jen náhoda, že dvacet částic přichází z míst, kde leží známá jádra aktivních galaxií.

Klíč v energetickém spektru

Mluvčí Augerovy observatoře Alan Watson z University of Leeds pro server Physicsworld.com řekl, že tým našel pět „párů“ kosmických paprsků, z nichž každý očividně pochází z jádra jedné a téže aktivní galaxie. Dále vyjádřil naději, že pokud se vědcům podaří nalézt více částic UHECR pocházejících ze společného zdroje, budou s to sestavit energetické spektrum, s jehož pomocí objasní přesný původ kosmických paprsků.

Háček je v tom, že k sestavení řádného spektra je zapotřebí, aby astrofyzici lapili několik stovek kosmických paprsků z jednoho jádra aktivní galaxie. To by ovšem pracovníkům z Augerovy observatoře trvalo několik staletí. Z tohoto důvodu plánují postavit druhou observatoř zvanou Auger North (Auger Sever) v americkém Coloradu. Třebaže Auger Sever by podle současných plánů měla být 3,5krát rozlehlejší než jižní pobočka, Watson věří, že současné pozitivní výsledky týmu povedou k přehodnocení plánů a k rozhodnutí, aby Auger Sever byl 10krát větší než Auger Jih – podle Watsona je to sice v principu možné, ale sám uznává, že celý projekt by byl velice drahý, jak co se výstavby týče, tak i provozu observatoře.

Watson pro server Physicsworld.com dále uvedl, že kdyby fyzici znali přesný zdroj částic UHECR, pomohlo by jim to lépe pochopit magnetická pole naší galaxie. Kromě toho zkoumáním srážek částic UHECR s jádry prvků zemské atmosféry by se fyzici mohli leccos dozvědět i o hmotě, jelikož srážky mají energii mnohem vyšší, než jaké je možné dosáhnout v současných či plánovaných urychlovačích částic. Například urychlovač LHC v CERNu urychlí protony na energii „jen“ 7 TeV (7x10¹² elektronvoltů).

eV – Elektronvolt

Elektronvolt je ve fyzice jednotka energie odpovídající kinetické (pohybové) energii elektronu urychleného potenciálovým rozdílem jednoho voltu. 1 eV = 1,6×10−19 Joulů. Často se můžete setkat s násobky této jednotky: 1 keV = 1 000 eV = 10³ eV, 1 MeV = „jeden megaelektronvolt“ = 10⁶ eV, 1 GeV = „jeden gigaelektronvolt“ = 10⁹ eV, 1 TeV = „jeden teraelektronvolt“ = 10¹² eV. Jak stojí v článku, nejenergetičtější kosmické paprsky mají energii vyšší než 10¹⁹ eV, což je 10⁷ TeV, čili deset milionů teraelektronvoltů. Pro srovnání: molekuly ve vzduchu mají energii asi 0,03 eV.