Pozor! Používáte zastaralý prohlížeč, stránka se nemusí zobrazovat správně. Aktualizujte jej a zlepšete tak svůj uživatelský zážitek.

Matfyz.cz

Aktualita z fyziky: Co odhalila Observatoř Pierra Augera?

Součástí Observatoře Pierra Augera je 1 600 povrchových detektorů, které dohromady tvoří pravidelnou síť pokrývající plochu o rozměru 3 000 kilometrů čtverečních (vizualizace: S. Staffi)

Nedávno jsme psali o mimořádném objevu, který se podařilo učinit vědcům z Observatoře Pierra Augera. Jejich experimenty potvrdily, že kosmické záření s extrémně vysokými energiemi pochází z oblastí mimo Mléčnou dráhu. K objevu se dnes vracíme ve větších podrobnostech.

Výsledek má statistickou signifikanci 5,2 σ (o objevu mluví částicoví fyzici v případě, že statistická signifikance přesáhne úroveň 5 σ, tzn. že pravděpodobnost náhodné fluktuace pozadí nepřekročí mez 1 : 3,5 milionu) a pravděpodobně řeší desetiletí trvající diskuse o původu kosmického záření s ultravysokými energiemi většími než 1018 eV (1 EeV).

Laboratoř Pierra Augera je jedním z největších projektů základního výzkumu na světě. Jejími duchovními otci jsou americký fyzik a nositel Nobelovy ceny Jim Cronin a britský fyzik Alan Watson. Observatoř se skládá z 1 600 povrchových detektorů, které dohromady tvoří pravidelnou síť pokrývající plochu o rozměru 3 000 km2. Každý detektor obsahuje nádrž naplněnou 12 tunami destilované vody.

Při průchodu sledované částice kapalinou vzniká Čerenkovovo záření. To představuje kolektivní reakci atomů na elektrické pole pohybující se nabité částice, pokud tato částice dosáhne v daném prostředí rychlosti větší, než je rychlost světla ve stejném prostředí (rychlost světla ve vodě je 70 % rychlosti ve vakuu). Záření se šíří ve formě spršky – kužele podél dráhy částice. Sprška záření způsobená částicí o energii 1020 eV může při dopadu zasáhnout plochu až 16 km2, a tedy dopadnout na větší počet detektorů.

Kosmické záření je většinou tvořeno atomovými jádry. Ty bombardují Zemi z kosmického prostoru a mají energie v rozmezí 109 eV až do 1020 eV. Vzhledem k tomu, že jádra nesou elektrický náboj, odchylují se magnetickým polem, které prostupuje Mléčnou dráhou. Tento proces, který lze přirovnat k náhodnému rozptylu světla hustou mlhou, může zrušit všechny informace o tom, odkud kosmické paprsky přicházejí. Ve výsledku se jich totiž na Zemi detekuje ze všech směrů přibližně stejný počet, což pro astronomy znamená zásadní problém a otázku, zda jsou kosmické paprsky urychlovány uvnitř Mléčné dráhy, nebo mají mimogalaktický pů­vod.

Směrové rozložení kosmických paprsků však není dokonalé. Některé informace o směru, odkud paprsky přicházejí, by mohlo poskytnout právě měření částic s extrémně vysokými energiemi, protože ty nejsou tolik rozptylovány magnetickým polem jako částice s energiemi daleko nižšími. Tento předpoklad nedávno potvrdil mezinárodní tým astrofyziků z Observatoře Pierra Augera, jehož součástí byli i čeští vědci. Skupina studovala dopad více než 30 000 částic s energiemi většími než 8 EeV.

Jak už bylo řečeno, když se částice kosmického záření srážejí s jádry prvků v atmosféře, vytvářejí spršku miliard částic, která dopadá na povrch Země. Spršku zaregistruje více detektorů a přesné měření času dopadu na každém detektoru udává směr kosmického paprsku. Energie paprsku je potom určena intenzitou signálu v detektorech Čerenkovova záření. Na čtyřech místech observatoře je dalších 27 fluorescenčních teleskopů. Ty detekují fluorescenční záření, které je emitováno interakcí částic ze spršky s dusíkem v atmosféře. Získané informace pak doplňují a zpřesňují měření energie a směru paprsků provedená detektory Čerenkovova záření.

Vodní čerenkovský detektor v západní Argentině (zdroj: The Pierre Auger Observatory)

Z výsledků měření vyplývá, že rychlost dopadu částic kosmického záření s velmi vysokými energiemi je v jedné polovině oblohy přibližně o 6 % větší. A co víc, tento přebytek leží v úhlu přibližně 120° stranou od centra Mléčné dráhy. To napovídá mimogalaktickému původu záření. Po korekci dat na předpokládaný ohyb paprsků magnetickým polem Mléčné dráhy se astrofyzici shodli na tom, že částice s mimořádně velkou energií přicházejí ze směru, kde je ve vesmíru vysoká hustota sousedních galaxií. Toto zjištění považují zúčastnění vědci za jeden z nejvýznamnějších výsledků, kterého se za více než 20leté fungování laboratoře podařilo dosáhnout.

Jestliže kosmické paprsky s mimořádně vysokou energií nejsou produkovány v naší galaxii, je pravděpodobné, že jejich původ je v galaxiích, které se nepodobají Mléčné dráze. Alan Watson zmiňuje galaxie, jako je Centaurus A, která podle všeho obsahuje supermasivní černou díru a dodává energii relativistickým výtryskům částic. Šokové vlny v takových proudech by mohly urychlovat jádra tak, že pak vytvoří vysoce energetické kosmické záření.

Dalším úkolem Observatoře Pierra Augera teď bude lépe porozumět tomu, které prvky, resp. jádra kterých prvků tyto energetické paprsky tvoří. To je zadání pro další stupeň observatoře, který nese název Auger Prime a bude spuštěn do roku 2025. Tento krok znamená překrytí všech detektorů plastickým scintilátorem, který má ve sprškách kosmických paprsků detekovat muony. Znalost obsahu muonů pak umožní určit, jestli jsou spršky tvořeny například jádry vodíku nebo železa. Různá jádra mají totiž různé hmotnosti a náboje, což určuje, jak jsou kosmické paprsky ohýbány magnetickým polem. Taková informace by mohla vést k lepšímu porozumění magnetickému poli Mléčné dráhy a nakonec určit zdroje kosmických paprsků s velmi vysokými energiemi.

Původní práce byla publikována v Science.
Tisková zpráva z 22. 9. 2017

Mohlo by vás zajímat:

Vědci poprvé zachytili gravitační vlny i gama záření
Kapky rychlejší než střela
Virgo poprvé detekoval gravitační vlny
Olihně pomáhají odkrývat podstatu skládání nanočástic

Kompletní archiv Aktualit z fyziky

Další obrázky
comments powered by Disqus

Matfyz.cz

Univerzita Karlova
Matematicko-fyzikální fakulta
Ke Karlovu 3
121 16  Praha 2
IČ: 00216208
DIČ: CZ00216208
web fakulty
studuj na Matfyzu
e-shop