Fyzici z Pierre Auger Observatory v Argentině učinili významný krok k vyřešení záhady o původu částic kosmického záření s extrémně vysokými energiemi. Jejich experimenty potvrdily, že částice k nám přilétají ze zdrojů, jež jsou mnohem vzdálenějších než jakákoliv část naší Galaxie. Výsledky výzkumu, na kterém se podíleli také vědci z Matematicko-fyzikální fakulty, dnes zveřejnil časopis Science.
Již od doby, kdy byla v 60. letech minulého století potvrzena existence částic kosmického záření s energiemi dosahujícími až několik joulů (tj. energiemi milionkrát vyššími, než jaké je možné připravit na největším pozemském urychlovači LHC), 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 dva jouly, zaznamenaných největší observatoří kosmického záření, jaká byla kdy postavena – Observatoří Pierra Augera v Argentině. Jak bylo zjištěno, částic s tak velkou energií přilétá z jedné strany oblohy přibližně o šest 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 naši Galaxii.“
Částice kosmického záření jsou jádra chemických prvků od vodíku (v tom případě jde o jednotlivé protony) po železo. V oblasti energií nad dva jouly je četnost jejich příletu nízká – jen v řádu jedné částice na kilometr čtvereční za rok, což odpovídá asi jedné částici na plochu fotbalového hřiště za století. Tak vzácné částice mohou vědci 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. Mají podobu jakéhosi disku či „talíře“ o průměru až několik kilometrů a obsahují přes deset miliard částic.
Na Observatoři Pierra Augera jsou částice z těchto spršek detekovány s využitím Čerenkovova záření, které je vyprodukováno v několika z 1 600 detektorů rozmístěných v západní Argentině na ploše 3 000 čtverečních kilometrů. 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. I při takto velkých energiích totiž částice mohou být po cestě od zdroje k nám odkloněny od svého původního směru letu magnetickými poli ve vesmíru až o několik desítek stupňů. Žádná z realistických konfigurací galaktického magnetického pole ovšem neodpovídá situaci, kdy by 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 by měla výrazně zlepšit probíhající modernizace observatoře.
Na stavbě a provozu Observatoře Pierre Augera se od samého začátku experimentu podílejí i čeští vědci. Konkrétně je o pracovníky Fyzikálního ústavu AV ČR, 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 spolupracují také 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.
Účast České republiky na provozu Observatoře Pierra Augera je dlouhodobě podporována MŠMT ČR. V současné době jde 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.