Tajemné záření aneb Záhada kosmických paprsků (1)

Nabité částice bombardující zemskou atmosféru označujeme souhrnným názvem „kosmické záření“, i když o záření v pravém slova smyslu nejde. Zatímco jiné formy záření tvoří nehmotné částice – fotony –, kosmické záření představuje směsku protonů, jader dalších atomů, ale také elektronů, cestujících vesmírem rychlostí blízkou rychlosti světla. Přilétají z kosmických dálav a vstupují do plynného obalu Země ze všech směrů. Původ většiny energetických částic z vesmíru však halí tajemství, stejně jako není jasné, co jim uděluje tak vysokou pohybovou energii.

Putování vesmírem

Kosmické záření se stalo cílem vědeckého výzkumu už před více než stoletím. Za tu dobu vznikly nejrůznější detektory ve vesmíru i na Zemi a v pochopení původu zmíněného záření odborníci značně pokročili. Fyzikální zákony jim však házejí klacky pod nohy. Drtivou většinu astrofyzikálních poznatků se podařilo získat studiem fotonů, tedy částic elektromagnetického záření – od dlouhých rádiových vlnových délek po ty nejkratší délky záření gama. Fotony cestují vesmírem tak, aby k cíli dorazily v minimálním možném čase: pohybují se tudíž po nejkratších spojnicích. 

Částice kosmického záření jsou oproti tomu elektricky nabité, takže trajektorii jejich letu ovlivňují elektrická a magnetická pole. A ta najdeme ve vesmíru opravdu všude. Magnetická pole protkávají Sluneční soustavu, galaxii i mezigalaktický prostor. Není tak na první pohled zřejmé, odkud částice, která dopadla na čip detektoru, původně vyrazila. Fotony evidentně pocházejí z hvězdy nebo galaxie, na niž dalekohled míří, ale v případě kosmického záření to neplatí. 

Nápovědou k původu částic se může stát jejich počet a chemické složení záření, obojí v závislosti na pohybové energii, která má v případě kosmických částic přilétajících k Zemi rozsah dvanácti řádů. Počet částic kosmického záření za jednotku času (což popisuje fyzikální veličina tok) se mění v závislosti na jejich energii. Obecně platí, že čím mají částice vyšší energii, tím méně jich je. Zatímco tedy čtvercovou ploškou s hranou o délce 1 cm proletí několik kosmických částic za sekundu, těch nejenergičtějších identifikujeme na ploše 1 km² jen několik za století. I proto museli vědci vyvinout mnoho různých detekčních metod. 

Částicová sprška

Když vstoupí kosmická částice do zemské atmosféry, sráží se s molekulami vzduchu. Kolize vyvolá jaderné reakce, které následně pokračují a vzniká kaskáda sekundárních částic – tzv. částicová sprška. Různé částice kosmického záření vyvolávají různé spršky, což umožňuje jejich identifikaci. Družicové a balonové experimenty ve značných výškách mohou pomocí přístrojů na palubě detekovat primární částice kosmického záření. Pozemní detektory naopak sledují částicové spršky, z nichž se usuzuje na typ částice primárního záření, která spršku vyvolala. 

Z výsledků obou typů experimentů je zřejmé, že primární částice tvoří atomy zbavené elektronových obalů – jádra vodíku, helia, uhlíku, kyslíku, železa, a dokonce i některých těžších prvků. Tato jádra byla urychlena na relativistické energie, což v praxi znamená, že cestují rychlostí blízkou rychlosti světla. Za urychlování nepochybně zodpovídají přírodní částicové urychlovače, po nichž vědci pátrají celé století. 

Záření shora

První známka, že se kolem nás vyskytuje nějaká forma ionizujícího záření – rychle se pohybujících nabitých částic, které vyrážejí elektrony z atomových obalů – se datuje do roku 1785. Tehdy si Francouz Charles-Augustin de Coulomb povšiml, že elektroskop, tedy přístroj k měření elektrického náboje, se tu a tam samovolně vybije, i když jsou jeho desky dobře izolovány od okolí. Na konci 19. století poskytl objev radioaktivity částečnou odpověď na otázku, proč k tomu dochází. Radioaktivní materiály produkují energetické částice (zkráceně se označovaly jako paprsky), které se pohybují prostorem. Jakmile proletí elektroskopem, způsobí jeho vybití. Elektroskopy se umisťovaly do tunelů, pod vodu nebo mezi kovové stínění, aby se vědci dozvěděli o pronikajícím záření více. Chtěli zjistit, zda přichází ze zemské kůry, z atmosféry, nebo z kosmického prostoru. 

Rakouský fyzik Victor Hess nalezl odpověď už v roce 1912, kdy umístil elektroskop do balonu, který nechal posléze vystoupat do 5,3 km. S tím, jak se detektor vznášel k nebi, tok záření nejprve klesal, zhruba od 1 km pomalu narůstal a mezi 4 km a 5,3 km se zvýšil asi na dvojnásobek měřený při hladině moře. Experiment prokázal, že i když má určitá část ionizujícího záření původ v Zemi, většina pochází z kosmického prostoru. Za svůj objev obdržel Hess v roce 1936 Nobelovu cenu za fyziku. 

Po první světové válce se centrum výzkumu vesmírných paprsků přesunulo do Spojených států amerických, kde se uvedeným fenoménem zabývali Robert Millikan a Arthur Compton. Ovšem zatímco Millikan se domníval, že se ionizující záření skládá převážně z vysokoenergetických, tedy gama fotonů, které měly představovat vedlejší produkt termojaderné fúze v mezigalaktickém prostoru, Compton tvrdil, že jsou částice kosmického záření elektricky nabité, a tudíž nemohou mít s fotony nic společného. Jejich spor pak rozsoudilo zajímavé pozorování. Nizozemec Jacob Clay měřil tok kosmického záření na své cestě z Indonésie do Itálie a všiml si, že není na všech místech stejný. Postuloval, že pokud jsou vesmírné paprsky nabité, mělo by je odklánět magnetické pole Země, tudíž se jejich tok musí měnit se zeměpisnou šířkou. A přesně to během své cesty pozoroval. 

Tajemství odhaleno?

Kosmické paprsky se nacházejí nejen v hledáčku fyziků, ale i astronomů, které zajímá, jaké typy vesmírných objektů mohou podobné záření vyprodukovat a udělit mu tak vysokou rychlost. 

V roce 1934 vyslovili Němec Walter Baade a Švýcar Fritz Zwicky domněnku, že supernovy by mohly mít dostatek energie, aby to vysvětlilo pozorovaný tok kosmického záření. Jejich myšlenku se podařilo potvrdit v roce 2013, když astronomové zkombinovali data ze dvou vesmírných satelitů. Ve zbytcích po supernovách s označením W44 a IC443 nalezli důkazy, že se kosmické částice urychlují na jejich okrajích, nejspíš mezi cestujícími rázovými vlnami. Díky této práci mohou astronomové nahlédnout do katalogů, zmapovat historii výbuchů supernov v naší Galaxii a podívat se, zda je jejich rozložení kompatibilní s prostorovým rozdělením kosmického záření, které detekujeme dnes. 

Dokončení: Tajemné záření aneb Záhada kosmických paprsků (2)

Poté co jsou částice urychleny ve zbytku po supernově, rozptylují se kosmické paprsky dlouhou dobu po cestě Mléčnou dráhou. Jejich trajektorii komplikují magnetická pole na trase, tudíž taková částice míří k Zemi desítky milionů let – a čím déle, tím více energie při tom ztratí. Pro srovnání: neutrální částici by stejná cesta trvala asi sto tisíc let, neboť letí po nejkratší spojnici.