Čtyři miliardy let stará částice prozradila, co po nás střílí černé díry

aktualizováno 
Laboratoř v antarktickém ledu ve spolupráci s vesmírným teleskopem dokázaly poprvé v historii astronomie ukázat, odkud k nám přilétají nepolapitelné částice s energiemi, o jakých si dnešní urychlovače mohou nechat jen zdát.

Neutrinová observatoř IceCube je umístěna v hloubkách zhruba od 1,5 do 2,5 kilometrů pod povrchem ledovce u jižního pólu. Jedinou viditelnou částí je budova známá jako IceCube Lab, do které se sbíhají údaje z pěti tisícovek světelných detektorů v ledu. Na fotomontáži je zachycena detekce události 170922A, tedy neutrina vystopovaného ke vzdálenému blazaru. | foto:  IceCube Collaboration/NSF

Od roku 2010 hledají astronomové pod antarktickým ledem světlo. V modravém ledu poblíž jižního pólu je v pravidelných intervalech rozmístěno zhruba pět tisíc detektorů observatoře IceCube (tj. LedováKostka). Mají zachycovat světlo, které vzniká při vzácných srážkách částic přilétajících z vesmíru s jádry atomů v ledu.

Nepolapitelná

Neutrina pronikají hmotou v podstatě jako nůž máslem a bez problémů prolétají nejen naším tělem (miliardy za vteřinu), ale třeba i Zemí. Nepůsobí na ně téměř žádné fyzikální síly. Nemají elektrický náboj, a tak ignorují elektromagnetické síly. Mají téměř zanedbatelnou hmotnost a i vliv v relativně slabé zemské gravitace na ně je nepozorovatelný.

Výjimkou je tzv. slabá interakce, ale ta přijde ke slovu jen když přímo "trefí" nějakou jinou částici. A to se stává jen velmi zřídka - naštěstí neutrin je k dispozici kolem nás víc než dost. 

Protože detektory jsou až 2,5 kilometru pod ledem, repertoár částic, které se mohou dostat tak hluboko pod povrch, je velmi omezený. Je to samozřejmě záměr, IceCube „loví“ jen ty částice, které do takových hloubek mohou proniknout: neutrina.

Neutrina jsou částice, které se pohybují všude kolem nás, ale s běžnou hmotou se většinou míjí. Neustále prochází našimi těly či celou Zemí, aniž bychom si jich mohli všimnout. Slunce jich vytváří při jaderných reakcích tolik, že našimi těly jich každou sekundu prochází miliardy. Další k nám samozřejmě přilétají ze zbytku vesmíru.

Na světě je několik experimentů, které dokážou stopy těchto nepolapitelných částic zachytit. Kromě IceCube je to italská OPERA, na které došlo k zachycení i „nadsvětelných“ neutrin. Neutrinové detektory bývají obvykle pod povrchem, kam jiné typy částic neproletí – srazí se atmosférou nebo horninou. 

U neutrin je problém opačný, protože prakticky všechna se proženou observatoří, aniž by její existenci vzala na vědomí. Zcela výjimečně se ovšem ve vymezeném prostoru srazí s jádrem nějakého atomu, přičemž se uvolní sprška dalších částic. A jejich projevy už pozorovat lze.

Vrt do antarktického ledu pro laboratoř IceCube

Vrt do antarktického ledu pro laboratoř IceCube

IceCube se specializuje na hledání těch nejexotičtějších neutrin, která mají opravdu vysoké energie, několikanásobně vyšší než částice z nejsilnějších urychlovačů. To jsou dosti záhadní „exoti“, protože mimo jiné nevíme, jak vlastně vznikají, kolik jich přilétá či z jakého směru.

Už v roce 2013 tým pracující na antarktickém detektoru publikoval výsledky, podle kterých minimálně část z řádově nízkých desítek za rok zachycených neutrin s velmi vysokou energií pochází ze zdrojů mimo naši galaxii. Ale kterých přesně? IceCube se už roky dělí s dalšími týmy o detaily z detekce jednotlivých „události“ (tj. zachycených neutrin) v naději, že se nějakému teleskopu podaří najít v koutě oblohy nějaký objekt, který by mohl být jeho zdrojem. Snaha byla neúspěšná až do září loňského roku.

Vy a TeVy

Proč GeVy a TeVy?

Teraelektronvolt (TeV), či správně základní elektronvolt (eV), není jednotka hmotnosti, ale jednotka energie. Je roven energii, kterou získá elektron urychlený ve vakuu napětím jednoho voltu. A protože mezi energií a hmotností existuje pevný vztah (slavné E=mc2), lze jednotku energie použít i k vyjádření hmotnosti. Správně by se mělo v takovém případě psát eV/c² (tedy lomeno druhou mocninou rychlosti světla), podle nepsané fyzikální konvence se ovšem tato část vynechává.

Jednotka se používá pro vyjádření hmotnosti jednotlivých částic i proto, že výsledná čísla jsou mnohem lidštější, než kdyby se pracovalo se zlomky kilogramu. Porovnejme si to na příkladu elektronu: ten má hmotnost buď 511 kiloelektronvoltů nebo 9,11x10-31kilogramu. A jeden proton váží 0,931 gigaelektronvoltu (při rychlém počítání z hlavy to jde zaokrouhlit na jedna). S čím by se vám pracovalo lépe?

Přesně 24. září 2017 se podařilo zachytit neutrino, které dostalo katalogové číslo IceCube-170922A. Nebylo to zdaleka nejsilnější neutrino zachycené na detektoru, na lidské poměry mělo stejně těžko představitelnou energii kolem 230 teraelektronvoltů (TeV), plus minus pár desítek „TeVů“. To je zhruba 30 až 40krát více, než mají svazky částic v urychlovači LHC.

Šest dní po upozornění od detektoru IceCube oznámil tým využívající Fermiho vesmírného gama teleskopu, že ve směru příletu (s nepřesností cca 0,1 °) neutrina objevil objekt, který by měl být zdrojem zachycené částice. Podle výsledků, které vyšly v časopise Science, šlo o tzv. blazar, což je masivní černá díra, ze kterého ve směru jeho pólů doslova tryská proud nejrůznějších částic a záření s vysokou energií, evidentně včetně neutrin. Takové objekty leží v jádru velké části galaxií, jako blazary se označují jen ty z nich, které shodou okolností míří své výtrysky směrem k Zemi a jsou pro nás tedy viditelné.  

Pro fyziky a astronomy, kteří na projektu pracují, je to ohromný úspěch. Událost by mohla stát na počátku nového oboru neutrinové astronomie. Díky ní bychom mohli získat pohled do nitra objektů, které dnes jsou pro nás prakticky „neprůhledné“, jako jsou například černé díry. A nebo objektů velmi vzdálených, ze kterých k nám jiné částice nedoputují. 

Musím přidat nutné varování, že objev se může nakonec rozplynout jako neutrino nad... vlastně čímkoliv. Zatím jde o ojedinělou událost, která není potvrzena s takovou spolehlivostí, jakou by si minimálně někteří vědci představovali. Autoři odhadují, že s pravděpodobností zhruba 1:740 mohlo zmíněné neutrino tedy mohlo prostě „letět kolem“. Je to malá pravděpodobnost, ale stále vyšší než například standard pro uznání objevu nové částice v částicové fyzice. 

Ovšem už nyní se zdá pravděpodobné, že 170922A není jediné neutrino, které k nám z onoho čtyři miliardy let vzdáleného blazaru dolétlo. Objevitelský tým se díval do záznamů z minulosti a v několika měsících na přelomu let 2014 a 2015 k nám ze stejné oblasti doputovalo výrazně více neutrin, než je obvyklé. Je možné, že TXS 0506+056 patrně prošel – a tedy nejspíše pravidelně prochází – obdobím zvýšené aktivity, které by znovu stálo za pozorování i jinými nástroji než detektorem IceCube.

Pohled do nitra detektoru Super-Kamiokande, který je určen mimo jiné i k...

Neutrinové detektory jsou jedny z nejzajímavějších a nejpůsobivějších vědeckých experimentů vůbec. Na tomto snímku vám nabízíme pohled do nitra detektoru Super-Kamiokande, který je určen mimo jiné i k detekci neutrin. Nádrž na snímku je naplněna superčistou vodou a její stěny pokryty desítkami tisíc světelných detektorů. Ty zachycují záblesky světla, které (poměrně vzácně) vznikají při srážce neutrina s elektrony ve vodě. Na snímku je nádrž během plnění.

Autoři IceCube  doufají, že nejde ani zdaleka o poslední objev. Zkušenosti z dosavadního provozu údajně naznačují, že antarktický led je až nečekaně průzračný. To znamená, že záření vznikající při brzdění z vesmíru přilétajících částic se ledem velmi dobře šíří a fotodetektory je dokážou zachytit na výrazně větší vzdálenost, než se původně předpokládalo. Jednotlivé prvky by tedy mohly být mnohem dále od sebe a stále fungovat stále velmi dobře.

Observatoř by se mohla při zachování plánovaného rozpočtu 280 milionů dolarů výrazně zvětšit, možná až na desetinásobek dnešního objemu. Výhledově by tedy IceCbube měla zachycovat více neutrin a s větší přesností než dnes. 

Autor:

Nejčtenější

První mezihvězdné těleso může být sluneční plachetnicí

Rekonstrukce možné podoby planetky 1I/2017 U1 (‘Oumuamua) na základě údajů...

První objekt od jiné hvězdy zachycený pozemskými teleskopy by podle naměřených parametrů mohl být sluneční plachetnicí,...

Konec dvojích cen. Evropské e-shopy už Čechům nebudou účtovat přirážku

Ilustrační snímek

Na začátku prosince začne platit nařízení Evropské unie, které zakazuje internetovým obchodům považovat zákazníka z...

Oumuamua může být mimozemskou časovou schránkou, řekl expert v Rozstřelu

Astronom Petr Scheirich v diskusním pořadu Rozstřel.

„Můj názor je, že jde o těleso přírodního původu, ale přál bych si, aby tomu tak nebylo,“ řekl v Rozstřelu o prvním...

Okřídlení géniové. Vrány si při pokusu zvládly vyrobit složené nástroje

Vrány se ukazují jako stále chytřejší a chytřejší.

Nový experiment naznačuje, že bychom měli přehodnotit rčení chytrý jako liška na chytrý jako vrána. Skupina...

Nové implantáty dovedou zlepšit paměť, ale nesmí se k nim dostat hacker

DBS

Elektronické implantáty by mohly podle neurovědců již v příštím desetiletí pomáhat vylepšovat paměť, zejména pacientům...

Další z rubriky

Dvě ledové kry fascinují celý svět pravými úhly, ale jsou úplně obyčejné

„Pravoúhlý ledovec“

Americká agentura NASA natočila ledovou kru, která na první pohled zaujme obdélníkovými rysy. Přestože uchvátila široké...

První mezihvězdné těleso může být sluneční plachetnicí

Rekonstrukce možné podoby planetky 1I/2017 U1 (‘Oumuamua) na základě údajů...

První objekt od jiné hvězdy zachycený pozemskými teleskopy by podle naměřených parametrů mohl být sluneční plachetnicí,...

Změna času v březnu je chyba, řekla bioložka Helena Illnerová v Rozstřelu

Fyzioložka a biochemička Helena Illnerová v diskusním pořadu iDNES.cz Rozstřel

Změna času byla nastavena na špatné měsíce, a tak by její zrušení nebylo na škodu, řekla v Rozstřelu bioložka Helena...

Najdete na iDNES.cz