Skupině vědců spojených s Observatoří Pierra Augera v Argentině se podařilo najít část odpovědi na otázku o původu kosmického záření. Nad tímto problémem si odborníci lámali hlavu od 60. let 20. století, kdy byla potvrzena existence částic kosmického záření.
Výjimečně silné kosmické záření není z naší galaxie, tvrdí vědci. Záhada stará půl století
Díky výpočtům a experimentům na observatoři se ukázalo, že částice kosmického záření mají původ mimo naši galaxii. Objev popisuje článek, který vyšel v prestižním vědeckém časopise Science.
Co jsou kosmické částice a kde se berou
Částice kosmického záření jsou jádra chemických prvků od vodíku (v tom případě jde o jednotlivé protony) po jádra železa. V oblasti energií nad 2 jouly je četnost jejich příletu nízká, můžeme si ji představit asi jako jednu částici na plochu fotbalového hřiště za století.
Tak vzácné částice můžeme detekovat jen prostřednictvím spršek sekundárních částic – elektronů, hadronů, fotonů a mionů – které se produkují v interakcích s jádry atomů v zemské atmosféře. Takové spršky se šíří vzduchem téměř rychlostí světla a mají podobu jakéhosi disku či „talíře“ o průměru až několik kilometrů. Obsahují přes deset miliard částic.
Vizualizace silných částic a jejich zachytávání
Na Observatoři Pierra Augera jsou částice z těchto spršek detekovány s využitím Čerenkovova záření, které vyprodukují v několika z 1600 detektorů rozmístěných na ploše 3 tisíce čtverečních kilometrů v západní Argentině.
Každý takový detektor obsahuje 12 tun vody, v níž se Čerenkovovo záření při průletu částic vytváří; pokrytá plocha odpovídá přibližně rozloze Karlovarského nebo Libereckého kraje. Časy příletů částic do jednotlivých detektorů se měří s vysokou přesností za pomoci systému GPS – to umožňuje určit směr příletu původní částice kosmického záření s přesností jednoho stupně.
Červené oblasti ukazují, odkud přichází nejvíce částic
Přestože aktuálně zveřejněný objev jasně ukazuje na extragalaktický původ částic, konkrétní zdroje kosmického záření z něj vyvozovat nelze – ukazuje pouze na širší část oblohy, z níž částice pocházejí. I při takto velkých energiích mohou být po cestě od zdroje k nám odkloněny magnetickými poli ve vesmíru až o několik desítek stupňů od jejich původního směru letu.
Žádná z realistických konfigurací galaktického magnetického pole ovšem neodpovídá situaci, kdy by zdroje záření ležely v rovině Galaxie nebo v jejím středu, musí tedy být nutně extragalaktického původu.
Detektory částic na observatoři Pierra Augera
Kde se berou supersilné částice? Nevíme – zatím
V přírodě se vyskytují částice kosmického záření s ještě většími energiemi, než má většina částic využitých v této studii, některé až s energií dobře odpáleného tenisového míčku. Odchylky v letu těchto částic způsobené magnetickými poli jsou menší, a tak by směry jejich příletu měly lépe ukazovat na místa jejich původu.
Takové částice jsou však ještě vzácnější a výzkumy snažící se odhalit jejich zdroje stále probíhají. Schopnost určit, o jaký druh částice jde, je v takovém výzkumu klíčová a právě tu výrazně zlepší probíhající modernizace argentinské observatoře.
Profesor Karl-Heinz Kampert z univerzity ve Wuppertalu, který je zároveň mluvčím Observatoře Pierra Augera, považuje objev za zásadní. „Nyní jsme výrazně blíže k vyřešení záhady původu těchto podivuhodných částic. To je pro astrofyziku otázka značného významu. Naše pozorování přinášejí přesvědčivý důkaz, že místa urychlení částic na tak velké energie se nacházejí mimo naši galaxii,“ uvedl.
Profesor Alan Watson z univerzity v Leedsu se domnívá, že nový výsledek je „jeden z nejvíce vzrušujících, které jsme na Observatoři Pierra Augera získali, a navíc takový, který řeší problém, na nějž jsme se spolu s Jimem Croninem zaměřovali, když jsme před 25 lety společně navrhovali stavbu Observatoře“.
Observatoř Pierra Augera
Výzkum v argentinské observatoři tímto objevem nekončí. Stanice se nyní výrazně modernizuje, aby mohla zkoumat i částice kosmického záření s ještě větší energií. Původ záření by se z nich dal odhalit přesněji, ale jsou ještě vzácnější než ty s energií nad dva jouly.
„Zjistili jsme, že z vesmíru se k nám dostávají rekordně energetické částice s milionkrát vyšší energií, než jaké dokážeme připravit na největším pozemském urychlovači. Příroda je stále dokonalejší než člověk a my díky tomu můžeme testovat chování hmoty,“ okomentoval to ředitel Fyzikálního ústavu AV ČR Michael Prouza.
Observatoř v Argentině je s českou vědou spojená velmi úzce. Na její stavbě a provozu se podíleli a podílejí pracovníci Fyzikálního ústavu AV ČR, Univerzity Karlovy a Univerzity Palackého v Olomouci.
„Nejvýznamnějším českým příspěvkem ke stavbě observatoře byla dodávka a instalace zrcadel pro více než polovinu dalekohledů fluorescenčního detektoru,“ uvedla Akademie věd.
Čeští vědci se podílejí i na analýze dat pro hledání zdrojů kosmického záření, na určování druhů přilétajících částic nebo na sledování průzračnosti atmosféry.
Observatoř byla postavena v letech 2000 až 2008, částečný provoz v ní začal ještě před dokončením v roce 2004. Jméno má po francouzském fyzikovi Pierru Victorovi Augerovi, který zkoumal kosmické záření a jevy v jaderné fyzice.
Sprška s protony nebo s atomovými jádry?
Vědci chtějí ve studiu tohoto fenoménu pokračovat, v současné době vylepšují detektory částic. Dalším cílem výzkumu je zjistit, jakého původu jsou tyto částice.
Díky kvalitnějším přístrojům přesně zjistí, jestli jsou ve spršce jen částice (hlavně protony) nebo atomová jádra - v důsledku tedy zjistí chemické složení částic.