Lovci kosmického záření

Jedním z vědců, jejichž jméno je bezprostředně spjato s Observatoří Pierra Augera, je Michael Prouza, astronom a astrofyzik, pracovník Fyzikálního ústavu Akademie věd České republiky.

Můžete nám Observatoř Pierra Augera představit blíže? S její výstavbou se začalo před deseti lety - kde ale stojí, kdo ji provozuje a co všechno se prostřednictvím jejích přístrojů zkoumá?

Michael Prouza: Observatoř Pierra Augera je v současné době vůbec největší detektor kosmického záření na světě. Provozuje ji konsorcium asi šedesáti různých vědeckých institucí ze sedmnácti zemí světa, protože, jak už to v současné době ve vědě chodí, jestliže chcete postavit opravdu špičkové a světově unikátní vědecké zařízení, tak jedna země na to nemá prostředky. Proto se vědci spojují do těchto velkých konsorcií a staví nové observatoře dohromady. Naše Observatoř Pierra Augera byla vybudována v Argentině a podařilo se ji dokončit koncem loňského roku. Teď už je plně hotová a rozkládá se na celkem neuvěřitelné ploše asi tří tisíc kilometrů čtverečních. Praha má rozlohu asi 400 kilometrů čtverečních, takže je to téměř osmkrát Praha vedle sebe, a celá ta plocha je pokryta našimi detektory. Je to z toho důvodu, že to kosmické záření je nejenom neobyčejně zajímavé, ale i neobyčejně vzácné. Abychom byli schopni ho zachytit v dostatečném množství, musíme na něj číhat na obrovské ploše.

Odkdy se vlastně kosmické záření zkoumá a jak se to dělalo dřív, kdy ještě vědci nedisponovali takovými možnostmi, jaké přinesla Observatoř Pierra Augera?

Michael Prouza: Kosmické záření vlastně stálo u samého zrodu částicové fyziky, úplně na počátku 20. století, kdy už lidé znali radioaktivitu a říkali si: "Tak dobře - existují nějaké radioaktivní horniny a z nich vylétají nějaké energetické částice. Když se ale od té radioaktivní Země někam vzdálíme, tak by ten tok záření měl zeslábnout." Tím pádem napřed šplhali na vysoké věže, jako třeba Theodor Wulf na Eiffelovu věž v roce 1910. Později to byl zejména Victor Franz Hess, který létal v balonu a tím se dostával ještě dál od Země. Badatelé přitom zjistili velmi pozoruhodnou věc - kosmické záření (ale oni tehdy ještě nevěděli, že je kosmické) se vzdáleností od Země neslábne. Naopak, když se vyšplhají do těch velkých výšek, tak záření začne být ještě intenzivnější. Takže bylo zřejmé, že ten zdroj není jen to radioaktivní záření, které vychází ze zemského povrchu, ale že existuje ještě druhý zdroj a ten je někde ve vesmíru. Odtud tedy ten název "kosmické záření" a odtud ten náš obor výzkumu. Takže to kosmické záření bylo objeveno už na samém počátku 20. století, jak jsem řekl, ale i po téměř stech letech zkoumání stále ještě nevíme, zvláště v tom nejenergičtějším oboru, jaké částice to vlastně jsou, odkud pocházejí a jaké jsou jejich zdroje. Naším základním cílem je odpovědět na otázku, jak je možné, že ve vesmíru jsou nějaké tak dobré zdroje, které umějí částice urychlit a vymrštit s tak vysokými energiemi. A to kosmické záření má energie skutečně rekordní. Zatímco v běžných urychlovačích jsme schopni dosáhnout energií několika bilionů elektronvoltů, to je číslo s dvanácti nulami, tak ty energie kosmického záření jsou ještě stomilionkrát vyšší! Je vidět, že příroda to pořád ještě umí podstatně lépe než člověk... Chování částic za takto extrémních podmínek je velmi zajímavé a jejich studiem se dozvídáme mnohé o struktuře hmoty.

Říkal jste, že kosmické záření je neobyčejně vzácné. Jak hustě jeho částice na Zemi dopadají?

Michael Prouza: Čím je kosmické záření energičtější, tím více je vzácné. Ty energie, které jsou pro nás nejzajímavější, jsou kolem deseti na dvacátou elektronvoltů. Z takových částic dopadá pouze jediná částice za jeden rok na sto kilometrů čtverečních, takže když máme pokrytých tři tisíce kilometrů čtverečních, tak těch částic vidíme zhruba asi třicet ročně. Ve skutečnosti je to ještě o malinko méně. Tyto částice jsou natolik vzácné, že všechny předchozí detektory jich skutečně změřily jenom pár - pět, šest, dvanáct, něco takového. Z toho se těžko dělá jakýkoli statistický závěr. Observatoř Pierra Augera je o jeden řád rozlehlejší než všechny její předchůdkyně a z toho důvodu jsme schopni konečně dělat nějaké přesnější statistické závěry o tom pozorování.

A jak se v praxi částice kosmického záření odhalují?

Michael Prouza: V tomto ohledu je Observatoř Pierra Augerra skutečným unikátem - k jejich detekci používá jako první observatoř na světě zároveň oba existující základní typy detektorů kosmického záření... První typ je povrchový detektor. Jeho princip je ten, že na veliké ploše rozmístíte, obvykle v pravidelné síti, jednotlivé stanice a ty potom pracují v součinnosti... Ještě je tedy třeba říci, že my nechytíme tu samotnou částici s tou obrovskou energií, protože před podobnými částicemi nás chrání naše atmosféra. Už v poměrně velké výšce několika desítek kilometrů nad zemským povrchem se ta částice srazí s nějakou molekulou, nejčastěji s molekulou dusíku, a vznikne několik desítek produktů té srážky. Ty pořád ještě mají příslušné zlomky té původní energie, ale za chvíli se znovu srazí a pak znovu, desetkrát, třináctkrát, až z té jedné původní částice nakonec vznikne sprška sekundárních částic. Místo jedné částice pak na zemský povrch dopadá třeba deset miliard sekundárních částic a každá z nich nese jenom jednu desetimiliardtinu té původní energie. Princip pozorování je založen na tom, že zkoumáme právě jenom ty produkty, které vznikly mnoha interakcemi primární částice a jejích produktů s částicemi ve vzduchu. Jedna varianta je, že si navzorkujeme nějaké částice z té spršky tím, že rozmístíme v pravidelných rozestupech stanice povrchového detektoru. V každé té stanici zachytíme pár částic z těch deseti miliard, třeba několik desítek nebo stovek, jsme-li poblíž středu té spršky, a právě z hustoty těch částic v jednotlivých stanicích a z velmi přesně analyzovaných časů příchodu těch částic do detektoru jsme pak schopni zrekonstruovat nejenom původní energii té primární částice, která přiletěla na Zemi z dalekého vesmíru, ale zjistíme i co to bylo za částici, jestli to byl proton nebo nějaké těžší jádro, a samozřejmě i to, odkud ta částice přiletěla. Takže první varianta je mít několik set - a v případě Observatoře Pierra Augera je to 1600 - povrchových detektorů, které vzorkují tu spršku kosmického záření... Druhá alternativa je takzvaná fluorescenční detekce. Po okrajích toho území, kde jsou rozmístěny naše povrchové detektory, máme celkem čtyři stanice s fluorescenčními teleskopy. V každé té stanici je šest fluorescenčních teleskopů, které sledují to území pokryté povrchovými detektory a přímo pozorují vývoj té spršky v atmosféře. Pozorují takzvanou atmosférickou fluorescenci.

A jak ta fluorescence vzniká?

Michael Prouza: Při těch interakcích částic ve spršce kosmického záření dochází mimo jiné k vybuzení molekul dusíku. Když se ty molekuly dusíku vrací do svého původního stavu, tak vyzáří foton, vyzáří viditelné světlo. To viditelné světlo pak můžeme pozorovat tím naším teleskopem. Samozřejmě jde o velmi rychlý proces. Než ta sprška doběhne na Zemi, tak to trvá jen pár miliontin sekundy, takže musíme mít velmi rychlou kameru, která je velmi často "vyčítána". V našem případě si celou tu kameru vyčteme jedenkrát za jednu desetimiliontinu sekundy v té oblasti, na kterou se díváme, a sledujeme potom přímo vývoj té spršky, která svítí fluorescenčním světlem. V Observatoři Pierra Augera je to vůbec poprvé, co byly obě dvě tyto metody použity zároveň. Tím pádem máme dvě nezávislé metody měření a můžeme je navzájem vůči sobě postavit a ověřovat jejich výhody a nevýhody. To se ukázalo jako nesmírně přínosné a podařilo se tak vyřešit hned několik problémů, se kterými se trápily všechny ty předchozí experimenty.

Lov jednotlivých spršek, vznikajících v atmosféře dopadem částic kosmického záření, není nic jednoduchého. Nejen proto, že doba jejich trvání je mnohokrát kratší, než mrknutí lidského oka. Jak podotýká astronom a astrofyzik Michael Prouza, velkou překážku pro jejich pozorování představuje také světlo nebo rozmary počasí. Týká se to hlavně fluorescenčních detektorů.

Informace o dopadajících částicích získávají a shromažďují stovky zařízení, rozmístěných na ploše osmkrát větší, než je rozloha Prahy - zejména se jedná o povrchové detektory, což jsou v podstatě jakési "sudy s vodou" opatřené přístroji. Jakým způsobem se informace z nich shromažďují a kde se vyhodnocují?

Stávající observatoř v Argentině představuje vlastně jen polovinu projektu. Podobně rozsáhlý kombinovaný detektor částic kosmického záření by měl vzniknout v budoucnu i na severní polokouli, v americkém Coloradu. Pokud na něj budou peníze. Pak by byla pod stálým dozorem celá obloha, a to za nezanedbatelné účasti českých odborníků, kteří na projektu spolupracují prakticky od samého počátku. Jedním z nich je i astronom a astrofyzik Michael Prouza z Fyzikálního ústavu Akademie věd České republiky. Ke zmiňovaným českým aktivitám na Observatoři Pierra Augera se spolu s ním ještě v budoucnu v našem pořadu vrátíme.

Vysíláno v Planetáriu č. 26/2009, 27. června - 3. července 2009.
Přepis: NEWTON Media, a.s.
Kompletní rozhovor si poslechněte ZDE (13:58).