Letí téměř rychlostí světla a mají stejnou energii jako tenisový míček vypálený rychlostí 100 km za hodinu. Přitom jsou tak drobné, že je okem nezahlédneme. Podle dosavadních fyzikálních teorií by vůbec neměly existovat.
Řeč je o kosmických částicích s rekordně vysokou energií, které zamotaly hlavy generacím vědců. Nyní jsou jim fyzikové z observatoře Pierre Augera v Argentině konečně na stopě: s největší pravděpodobností vznikají v aktivních centrech galaxií, kde se nacházejí obří černé díry. Převratný objev nedávno zveřejnil časopis Science, dokonce mu věnoval titulní stranu.
Kosmické záření bombarduje Zemi každým okamžikem. Většina pochází ze Slunce nebo z jiných zdrojů uvnitř naší Galaxie - vzniká například při výbuchu supernov. V roce 1938 ale francouzský fyzik Pierre Auger pozoroval v atmosféře zvláštní děje, které muselo vyvolat záření s mnohem vyšší energií -tak vysokou, že si dosud odborníci neuměli představit mechanismus, jak by mohlo vznikat.
V současné době se ukazuje, že jde až o energie v řádu desítek exaelektronvoltů, tedy 1019 elektronvoltů. „To je stomilionkrát víc, než se zatím podařilo dosáhnout v nejlepších pozemských urychlovačích,“ konstatuje Martina Boháčová z Fyzikálního ústavu AV ČR, která se na projektu podílí spolu s kolegy z Ústavu jaderné a částicové fyziky MFF UK a Společné laboratoře optiky Univerzity Palackého a Fyzikálního ústavu AV ČR v Olomouci.
„Vědci předpokládají, že tyto částice přicházejí z extrémně dramatických zdrojů. Byly vymyšleny stovky různých hypotéz včetně exotických scénářů, které počítají s dosud neznámými částicemi,“ říká Martina Boháčová.
Sudy uprostřed pampy
Zatímco méně energetických částic přichází více a mohou je pozorovat družice na oběžné dráze, z těch extrémních dopadne jen jediná na čtvereční kilometr za sto let. Proto bylo nutné pro jejich pozorování postavit speciální observatoř s obrovskou sběrnou plochou.
S nápadem na její stavbu přišli v roce 1992 americký profesor a nositel Nobelovy ceny za fyziku James Cronin z Univerzity v Chicagu spolu se skotským kolegou Alanem Watsonem z Univerzity v Leedsu.
O pár let později se projekt skutečně rozjel, roku 1999 k němu oficiálně přistoupila Česká republika. Dnes se na něm podílí 370 vědců (včetně 16 Čechů) ze 17 zemí světa. Celkový rozpočet se pohybuje kolem 50 milionů dolarů.
Od roku 2004 je část argentinské pampy o rozloze tři tisíce čtverečních kilometrů poseta sudy s destilovanou vodou, které složí jako detektory částic. Observatoř je těsně před dokončením. Celkem ji má tvořit 1600 sudů, zatím jich stojí 1540.
„V jedné oblasti probíhá jednání s majiteli pozemků, kteří chtějí na umístění detektorů více vydělat, přestože za plochu platíme pronájem,“ vysvětluje Jiří Grygar z Fyzikálního ústavu AV ČR.
„Na druhém kritickém místě jsou bažiny, takže musíme počkat na sušší období, abychom tam mohli sudy umístit. Obsahují 12 tun vody, takže teď by tam nákladní vůz zapadl,“ pokračuje český astrofyzik.
Jak vlastně lov extrémního kosmického záření vypadá? Zatímco jindy astronomům atmosféra v pozorování spíš překáží, v tomto případě ji dokáží využít. „Částice, většinou proton nebo jádro lehčího prvku, se v atmosféře sráží s molekulami kyslíku, dusíku a dalších plynů obsažených ve vzduchu. Postupně ztrácí energii a rozpadá se ve spršku druhotných částic,“ popisuje Martina Boháčová.
Může jich vzniknout až několik miliard a dopadnou na plochu desítek čtverečních kilometrů. Molekuly dusíku v místech průletu spršky září namodralým, fluorescenčním světlem. Celý proces ovšem trvá pouhý zlomek sekundy.
Část druhotných částic se trefí do připravených sudů, které jsou od sebe vzdáleny 1,5 km. Ve vodě částice ztrácejí energii a vyvolají záblesk. Ten zaznamená světlocitlivý snímač uvnitř sudu. Podle jeho údajů o druhotných částicích pak odborníci rekonstruují energii a dráhu letu primární kosmické částice.
Data z detektorů doplňuje pozorování 24 fluorescenčních dalekohledů namířených k noční obloze. Za jasného počasí sledují zmíněné namodralé záblesky (více viz text Česká zrcadla...).
Přímočarý let
Kosmických částic dopadá na Zemi velké množství, za dva roky činnosti jich v Argentině zachytili milion. Pouze 27 z nich ale mělo energii vyšší než 57 exaelektronvoltů. Právě tyto nejextrémnější částice vědce zajímají a jsou tématem zveřejněného článku v časopise Science.
Méně energetické záření při letu vesmírem mnohokrát změní svou dráhu vlivem magnetických polí. Nejextrémnější částice ovšem mají takovou energii, že s nimi magnetické pole jen tak snadno „nezacloumá“. Směrem své dráhy tedy ukazují celkem dobře na místa, kde vznikají.
„To ale platí jen pro částice, které mají zdroj ve vzdálenosti nanejvýš 250 milionů světelných let. Cestou totiž potkávají fotony zbytkového záření po velkém třesku, a tyto srážky jim ubírají energii,“ vysvětluje Jiří Grygar. Z větší vzdálenosti proto nabité částice s tak vysokou energií nedoletí.
Augerova observatoř umožnila poprvé určit směr letu částic a vystopovat, odkud přicházejí. „Prvním důležitým poznatkem bylo zjištění, že jejich zdroje nejsou ve vesmíru rozloženy rovnoměrně. Tím jsme vyloučili prakticky všechny exotické teorie a soustředili jsme se na přirozené astrofyzikální objekty,“ popisuje cestu k objevu Michael Prouza z Fyzikálního ústavu.
Pokračování na straně XI
Na stopě tajemství kosmických částic
Dokončení ze strany IX
Pak stačilo porovnat místa jejich původu s astronomickými katalogy, konkrétně vyhledat, co se v daných oblastech nachází do vzdálenosti 250 milionů světelných let. „Rigorózní statistický test prokázal, že směry příchodů se nejlépe shodují s polohami aktivních center galaxií, které obsahují obří černou díru,“ dodává.
První podezření, „odkud vítr vane“, experti získali už před více než rokem. Od té doby se věnovali pečlivému ověřování.
Michael Prouza ovšem upozorňuje, že teoreticky by zdrojem mohlo být i něco jiného, protože směry příchodu odpovídají, byť statisticky méně významně, také rozložení normálních galaxií a hmoty ve vesmíru vůbec. Více prozradí severní obloha Černá díra pravděpodobně částice urychluje, ale samotný mechanismus tohoto jevu zatím zůstává záhadou. Černá díra polyká hmotu kolem sebe, která před pohlcením rotuje v tzv. akrečním disku a zahřívá se. Panuje tam silné magnetické pole.
Hmota vytryskuje v ose rotace do vzdálenosti statisíců světelných let. „Možná jsou zdrojem extrémních částic právě tyto výtrysky. Ale to jsou zatím jen spekulace,“ říká Michael Prouza.
Tuto hádanku by měla vyřešit další léta pozorování. A především stavba druhé observatoře na severní polokouli, v americkém Coloradu. „Bude větší než argentinská, má pokrýt plochu 3800 čtverečních kilometrů,“ uvádí Jan Řídký, ředitel Fyzikálního ústavu AV ČR.
Na pozorování severní části oblohy se odborníci těší, protože se na ní nachází více aktivních galaktických jader než na jihu. Doufají proto, že zde zachytí více extrémních částic.
Na této observatoři se začne pracovat pravděpodobně v roce 2009. Grantové agentury čekaly s rozhodnutím o jejím financování, až se dostaví úspěchy na jižní observatoři. Publikace v časopise Science by podle Jana Řídkého měla být pádným argumentem pro jejich souhlas.
Pokud všechno půjde podle plánu, zahájí observatoř v Coloradu svou činnost v letech 2013 až 2015. Pak je podle českých expertů jen otázkou času, kdy se podaří prokázat, odkud extrémně energetické částice skutečně přicházejí, a zároveň odhalit, jakým způsobem je černé díry urychlují. Tyto poznatky jim umožní buď potvrdit nebo poopravit dnes uznávané fyzikální teorie.
***
Na pozorování severní oblohy se odborníci těší, nachází se na ní víc aktivních galaktických jader
Viník odhalen, jeho praktiky nikoliv
Kosmické částice s vysokou energií zamotaly hlavy generacím vědců. Podle dosavadních teorií by vůbec neměly existovat - a přesto k nám z vesmíru přilétají. Nyní mezinárodní tým s českou účastí odhalil jejich pravděpodobný zdroj: obří černé díry v centrech galaxií. Mechanismus, kterým částice získávají energii, ale zůstává tajemstvím.
Augerova observatoř
se nachází v okolí města Malargüe v argentinské provincii Mendoza. Celkem ji má tvořit 1600 sudů (černé body na mapě) umístěných na 3000 km2. V západní části zatím některé sudy chybí (bez podkladové zelené barvy) kvůli sporům s majiteli pozemků, ve východní části kvůli podmáčenému terénu. Na hranicích observatoře stojí čtyři pozorovatelny s fluorescenčními dalekohledy.
O autorovi| Eva Vlčková, redaktorka LN
