Z velmi vzdálených galaxií Ke stažení ve formátu PDF (90KB)
Vědecké sdružení provozující astročásticovou Observatoř Pierra Augera v Argentině zveřejnilo 22. září 2017 zásadní vědeckou publikaci v prestižním časopise Science. V této práci jsou prezentovány experimentální důkazy toho, že částice kosmického záření s extrémně vysokými energiemi (milión krát vyššími, než jaké dokážeme připravit na největším pozemském urychlovači LHC) k nám přilétají ze zdrojů mnohem vzdálenějších než jakákoliv část naší Galaxie. Již od doby, kdy byla v 60. letech minulého století potvrzena existence částic kosmického záření s energiemi dosahujícími až několik joulů, si vědci kladli otázku, zda se zdroje těchto částic nacházejí v naší Galaxii nebo mimo ni. Padesát let stará záhada byla nyní vyřešena za pomoci částic se střední energií 2 jouly, zaznamenaných největší observatoří kosmického záření, jaká byla kdy postavena, což je právě Observatoř Pierra Augera. Jak bylo zjištěno, částic s tak velkou energií přilétá z jedné strany oblohy přibližně o 6 procent více než z protilehlé a směr tohoto přebytku se odchyluje o 120 stupňů od směru ke středu naší Galaxie.
Profesor Karl-Heinz Kampert z univerzity ve Wuppertalu, mluvčí Observatoře Pierra Augera, k objevu říká: „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 naší Galaxii.“ Profesor Alan Watson z univerzity v Leedsu, emeritní mluvčí sdružení, 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.“
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, jen v řádu 1 částice na kilometr čtvereční za rok, což odpovídá asi jedné 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 několika kilometrů. Obsahují přes deset miliard částic. Na Observatoři Pierra Augera jsou částice z těchto spršek detekovány s využitím Čerenkovova záření, které vyprodukují v několika z 1600 detektorů rozmístěných na ploše 3000 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, což umožňuje určit směr příletu původní částice kosmického záření s přesností jednoho stupně.
Fyzikové na Observatoři Pierra Augera studovali více než 30 tisíc částic kosmického záření a odhalili anizotropii jejich směru příletu mířící do míst, kde se nachází relativně velké množství vzdálených galaxií. Statistická významnost pozorování je 5,2 standardní odchylky, to odpovídá pravděpodobnosti náhody přibližně 1 ku 5 milionům. Přestože tento 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, neboť 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, kdyby zdroje záření ležely v rovině Galaxie nebo v jejím středu, musí tedy být nutně extragalaktického původu.
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 Observatoře.
Na stavbě a provozu Observatoře PierreAugera se podíleli a podílejí i čeští vědci téměř od samého začátku experimentu. Konkrétně jde o pracovníky Fyzikálního ústavu AV ČR, v.v.i., Univerzity Karlovy v Praze a Univerzity Palackého v Olomouci. Nejvýznamnějším českým příspěvkem ke stavbě Observatoře byla dodávka a instalace zrcadel pro více než polovinu dalekohledů fluorescenčního detektoru.Čeští vědci se však podílejí a i na dalších úkolech, jako je zajišťování provozu Observatoře, analýza dat především z hlediska hledání zdrojů kosmického záření a určování druhů přilétajících částic, ale i sledování průzračnosti atmosféry a dalších technických parametrů experimentu.
Tato publikace je již druhá práce Observatoře v časopisu Science, ta první byla na titulní stránce v listopadu roku 2007.
Účast České republiky na Observatoři Pierra Augera je dlouhodobě podporována MŠMT ČR. V současné době se jedná o projekt velkých infrastruktur MŠMT ČR LM2015038 a EU-MŠMT CZ.02.1.01/0.0/0.0/16_013/0001402. Analýza dat je podporována projektem MŠMT ČR LG15014.
Další informace
Pozorování velkoškálové anizotropie ve směrech příletů kosmického záření o energiích nad 8×1018 eV
Kosmické záření je tvořeno jádry atomů přilétavajících z vesmíru. Tyto nabité částice dosahují zdaleka nejvyšších energií, jaké můžeme v přírodě pozorovat, včetně částic produkovaných na urychlovačích. Obecně přitom platí: čím energetičtější částice, tím vzácnější. Pro představu, částice o energii vyšší než 10 EeV (EeV = 1018 eV, což odpovídá už makroskopicky představitelné energii přibližně 0.16 J) doletí v průměru na plochu 1 km2 jednou ročně. Studium směrů příletů kosmického záření o nejvyšších energiích nám pomáhá odhalit tajemství jeho vzniku, což je jedna z největších přetrvávajích záhad fyziky vůbec. Přímé hledání zdrojů na malých škálách (do několika úhlových stupňů) je ztíženo faktem, že se nabité částice zakřivují v magnetických polích a informace o směrech jejich zdrojů se ztrácí. Nicméně směry příletu kosmického záření na velkých úhlových škálách (desítky stupňů) mohou být na obloze nerovnoměrně rozmístěny, pokud např. informace o původní anizotropii zdrojů nestihne být úplně rozmazána v magnetických polích.
Observatoř Pierra Augera je největší experiment na světě pozorující vysokoenergetické kosmické záření. Je umístěna v argentinské pampě na ploše 3000 km
Mezinárodní skupina vědců provozující Observatoř Pierra Augera, včetně vědců z Fyzikálního ústavu Akademie věd ČR, v. v. i., Matematicko-fyzikální fakulty Univerzity Karlovy a Přírodovědecké fakulty Univerzity Palackého v Olomouci, zveřejnila v jednom z nejprestižnějších recenzovaných časopisů Science článek o pozorování anizotropie ve směrech příletů kosmického záření o energiích nad 8 EeV ( http://science.sciencemag.org/content/357/6357/1266 ). Tato velko-škálová anizotropie z více než 32 000 kvalitně zrekonstruovaných událostí lze popsat dipólovou strukturou s amplitudou 6.5 (+1.3-0.9) % normalizovaného toku. Efekt je pozorován ve směru 100°±10° rektascenze a -24 (+12-13)° deklinace se signifikancí 5.2 σ, což odpovídá pravděpodobnosti ~ 10-7 pro náhodný vznik pozorovaného efektu. Na Obrázku 1 je zobrazena modulace relativního toku kosmického záření s rektascenzí, což je souřadnice podél hlavní horizontální osy v Obrázku 2 zobrazujícího tok kosmického záření na mapě oblohy v rovníkových souřadnicích.
Naměřenou hodnotu amplitudy dipólu lze popsat modelovými představami nehomogenního rozdělení zdrojů, nebo pomocí dominantního zdroje společně s difúzí v extragalaktických magnetických polích. V závislosti na složení kosmického záření a rozložení jeho zdrojů lze získat hodnoty amplitud v rozmezí 5-20 %. Přitom vlastní pohyb Země v soustavě spjaté s kosmickým zářením způsobí modulaci s amplitudou jen 0.6 %. Podstatné ovšem je, že amplituda dipólu směřuje ~ 125° od středu naší Galaxie (Obrázek 3). V případě, že by takto energetické kosmické záření vznikalo uvnitř naší Galaxie (např. během krátkých gama záblesků, nebo při výbuších hypernov), amplituda dipólu by směřovala k jejímu centru. Hypotézu extragalaktických zdrojů kosmického záření nejvyšších energií podporuje i fakt, že není pozorována žádná anizotropie na malých škálách ve směru Galaktického centra nebo Galaktické roviny pro energie nad 40 EeV (trajektorie částic jsou v magnetických polích při této energii zakřivovány méně než při energiích 8 EeV), jak již Observatoř Pierra Augera publikovala v minulosti. Směr dipólu kosmického záření míří ~ 55° od směru dipólové struktury získané ze směrů galaxií pozorovaných v infračervené oblasti (katalog 2MRS). Pokud ovšem budeme uvažovat posun směru dipólu díky vlivu magnetického pole naší Galaxie pro dvě typické hodnoty energie podělené průměrnou velikostí náboje částic, přiblíží se dipól 2MRS katalogu směru dipólu pozorovaného v datech Observatoře Pierra Augera. Podle měření složení kosmického záření byla průměrná velikost náboje odhadnuta na ~ 1,7 - 5 při energii 10 EeV. Kosmické záření o energiích nad 8 EeV tedy velmi pravděpodobně pochází z prostoru mimo naší Galaxie.
Obrázek 1: Relativní četnost událostí v závislosti na rektascenzi. Data naměřená Observatoří Pierra Augera pro energie nad 8 EeV jsou zobrazena červenými body. Plná čára znázorňuje první harmonickou modulaci (dipólová struktura) a přerušovaná čára izotropní případ.
Obrázek 2: Mapa oblohy zobrazující tok kosmického záření v rovníkových souřadnicích (deklinace: od -90° do +90° vs. rektascenze: od 0° do 360°) naměřený na Observatoři Pierra Augera pro energie nad 8 EeV. Střed Galaxie je označen hvězdičkou a galaktická rovina přerušovanou čárou.
Obrázek 3: Mapa oblohy zobrazující tok kosmického záření v galaktických souřadnicích (střed Galaxie uprostřed) naměřený na Observatoři Pierra Augera pro energie nad 8 EeV. Směr naměřeného dipólu je znázorněn křížkem včetně 68 % a 95 % kontur. Směr dipólu rozložení galaxií zahrnutých v infračerveného katalogu 2MRS je označen kosočtvercem. Šipky naznačují posun 2MRS dipólu díky magnetickému poli naší Galaxie pro dvě typické hodnoty energie lomeno velikost náboje kosmického záření.