Tajemné záření aneb Záhada kosmických paprsků (2)

V předchozí části článku vědci řešili, jakým způsobem vniká kosmické záření o vysokých energiích a rychlosti. Vysvlovili domněnku, že by za to mohly být zodpovědné supernovy. 

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. 

Stotisíckrát víc

Vědci se o difuzi kosmického záření dozvídají z relativních zastoupení chemických prvků s různými energiemi, k čemuž nesmírně přispěla celá řada vesmírných i balonových experimentů. Ukázalo se, že lehká atomová jádra jsou v kosmickém záření zastoupena relativně více než ve své neutrální formě, kterou nalezneme například ve Sluneční soustavě. Jádra lithia, beryllia či boru se v kosmickém záření vyskytují ve stotisíckrát větším relativním zastoupení než v našem solárním systému. 

Vědci se dnes přitom domnívají, že zastoupení chemických prvků by mělo být v celém vesmíru přibližně stejné. Proto je vyšší koncentrace lehkých prvků důsledkem kolizí těžkých jader s mezihvězdným materiálem, při nichž zřejmě došlo k rozbití na jádra lehčí. Na základě této demografie částic mohou vědci získat odhad průměrné hustoty mezihvězdného prostředí, kterým muselo kosmické záření proletět. Z analýz vychází, že dráha částic musí měřit miliony světelných let – což je více než šířka galaktického disku. 

Galaktické kosmické částice pokrývají osm řádů částicového energetického spektra. Na nejnižších energiích dominují protony, zatímco těžké ionty železa převládají na opačném konci. Astronomové takový přechod očekávají v souladu s domněnkou, že částice meandrují magnetickými poli Mléčné dráhy. Pravděpodobnost jejich průniku závisí na poměru náboje a kinetické energie, a těžší částice mají větší energii než částice lehké, pokud oba typy cestují stejnou rychlostí. Zatímco kosmické částice se středními energiemi pocházejí ze zbytku supernov v naší Galaxii, ty s nejnižší energií jsou naopak slunečního původu, proto je označujeme jako sluneční částice.

Až na kraj… a za něj

Jak jsme již uvedli, dnes detekujeme kosmické záření s částicemi o energiích v rozsahu dvanácti řádů: od méně než 10⁸ eV po 10²⁰ eV. Jeden elektronvolt představuje energii, kterou získá elektron, pokud jej urychlí potenciál jednoho voltu. Pro srovnání: molekuly vzduchu v místnosti mají typicky energie kolem 0,04 eV. 

Balonové a kosmické experimenty dokážou detekovat částice až do 1015 eV, ovšem nad uvedenou hranici už je jejich počet tak malý, že vědci raději využívají spršky sekundárních částic vznikající v zemské atmosféře. Experiment pro přímou detekci takových částic se nachází na plášti Mezinárodní vesmírné stanice a nese název AMS neboli Alpha Magnetic Spectrometer. Tento přístroj momentálně uskutečňuje přesná měření složení a energetického spektra kosmických částic ve velkém rozsahu energií. Citlivá zařízení jako AMS hrají nesmírně důležitou roli v naší snaze pochopit původ kosmického záření a možná i objevit dosud neznámé komponenty vesmírné radiace. 

Nejdéle trvající experimenty, jež studují kosmické záření, však nalezneme na palubách 36 let starých sond Voyager 1 a 2. Oba průzkumníci vykonali tzv. velkou cestu k vnějším planetám Sluneční soustavy, míří do volného kosmického prostoru a navzdory délce své mise neustále odesílají nesmírně cenná data o charakteru prostředí, jímž se pohybují. Voyager 1 se stal v srpnu 2012 prvním objektem vyrobeným lidskou rukou, který opustil plazmovou bublinu vytvářenou Sluncem a ponořil se do mezihvězdného prostoru. Tento přechod provázel pokles koncentrace solárních částic a nárůst částic galaktických, což spolehlivě zaznamenaly palubní detektory. 

Paprsky s ultravysokými energiemi

S energiemi kolem 10¹⁷ eV dominují ve spektru lehčí prvky mimogalaktického původu. Poloha zlomového bodu, kde již začínají převažovat extragalaktické částice nad galaktickými, zůstává otevřenou otázkou společně s dalšími otazníky, například co je zdrojem částic s tak vysokými energiemi. Vytvářejí je černé veledíry v centrech vzdálených galaxií? Nebo jde o důsledek rázových vln vznikajících při srážkách největších vesmírných struktur? Či jsou snad tyto částice urychleny při explozích nejmasivnějších hvězd, při nichž se rodí přímo černé díry? A konečně: jak energetické mohou tyto částice být? 

Částice s energiemi 10²⁰ eV se podařilo poprvé pozorovat již v roce 1962 z pozemních detektorů. Už o čtyři roky později se objevila teoretická práce, jež předpovídala prudký pokles v zastoupení částic s energiemi kolem 1020 eV kvůli očekávané interakci s nově objeveným mikrovlnným pozadím reliktního záření. 

Vědci využívají ke sledování kosmických částic s ultravysokými energiemi dva typy experimentů: pozemní detektory a fluorescenční dalekohledy. První zmíněné zachycují spršky sekundárních částic, které proniknou atmosférou až na zemský povrch. Naproti tomu fluorescenční observatoře neustále hledí vzhůru a zaznamenávají ultrafialové záření nabuzených dusíkových molekul, jež je vyvoláváno pohybujícími se částicemi spršky. Rychlé a citlivé kamery sledují trasu částic sekundární spršky, přičemž z jejich trajektorií lze usoudit na vlastnosti původní částice. První funkční fluorescenční detektor byl uveden do provozu v roce 1991 v Utahu a zaznamenal částici s rekordní energií 3 × 10²⁰ eV. 

U zrodu života

Relativní zastoupení kosmických částic s určitou vysokou energií stanovila jednak vylepšená observatoř v Utahu a jednak observatoř Pierra Augera v Argentině fungující na podobném principu, na jejímž provozu se podílejí i čeští fyzikové. Jedná se o vůbec největší detektor kosmických částic v provozu: zahrnuje oblast 3 000 km² s polem vodních nádrží, v nichž se detekuje tzv. Čerenkovovo záření, a dále čtyři fluorescenční dalekohledy, které sledují nebe nad nádržemi. K prvním výsledkům této observatoře patří zjištění, že kosmické částice s extrémními energiemi nepřicházejí rovnoměrně ze všech směrů, ale některá místa oproti jiným favorizují. Zmíněné nehomogenní rozdělení může představovat první známku původců tohoto tajuplného záření. 

Podobná observatoř se staví i na severní polokouli, shodou okolností opět v Utahu. V plánu jsou také další přístroje, včetně kosmických. K nejzajímavějším nápadům se řadí například japonský fluorescenční dalekohled, který by se měl nacházet na ISS a sledovat zemskou atmosféru – využíval by tedy naši planetu jako obří detektor částic. 

TIP: Nebezpečný vesmír: Kolik záření schytají astronauti cestou na Mars?

Výzkum kosmických částic má však i hlubší souvislosti. Někteří vědci se domnívají, že by se bez nich nemohl zrodit život. Existují hypotézy, podle nichž mohou částice kosmického záření ovlivňovat vznik blesků a formování oblačnosti: fungovaly by jako kondenzační jádra, což ostatně pozorujeme například v mlžných komorách, které zmíněný jev využívají ke zobrazení trajektorie částic. Kosmické záření tedy možná představovalo důležitou součást prapůvodní polévky v atmosféře Země, v níž se „uvařily“ základy organického života. Stejně tak mohly vysokoenergetické částice stát za důležitými mutacemi v genetických informacích našich prapředků, které se posléze ukázaly jako nezbytné pro přežití druhu.