Medailí Hannese Alfvéna za rok 2026 ocenila Evropská geovědní unie profesorku Janu Šafránkovou a profesora Zdeňka Němečka. Cenu získali za celoživotní studium slunečního větru, hranic magnetosféry, turbulence v kosmickém prostoru a zkoumání prachu v heliosféře. Přinášíme překlad rozhovoru zveřejněného na webu EGU.
Unie ocenila vaši průkopnickou práci při porozumění fyzice vesmírného plazmatu. Co pro vás toto ocenění do budoucna znamená?
Zdeněk: Rádi bychom poděkovali všem, kteří naši nominaci podpořili, opravdu si velice vážíme toho, že nám byla medaile Hannese Alfvéna udělena. Jen nevím, zda je naše práce skutečně průkopnická, jak stojí v odůvodnění. Řídíme se naším mottem, dělat svou práci co nejlépe, a to se udělením medaile nezmění.
Jana: Pro mne to je opravdu velká čest, jelikož se jedná o uznání našeho výzkumu na mezinárodní úrovni a završuje naše dlouholeté úsilí o vybudování skupiny zabývající se vesmírným výzkumem na Univerzitě Karlově.
Co vás přivedlo k zájmu o vaši výzkumnou oblast?
Jana: Na střední škole jsem chodila do matematicko-fyzikální třídy a tam jsem se také dozvěděla o Matematicko-fyzikální fakultě Univerzity Karlovy. Zúčastnila jsem se populární večerní přednášky o tokamacích a fúzi, kterou vedl prof. Pavel Šunka z Ústavu fyziky plazmatu, a „můj osud byl zpečetěn“. Profesor předvídal, že do 50 let budeme energii získávat hlavně z fúzních reaktorů. Bohužel se to úplně nepotvrdilo, ale přivedlo mě to ke studiu plazmatu na Katedře elektroniky a fyziky vakua (dnes Katedry fyziky povrchů a plazmatu), kde jsem zůstala dodnes.
S napětím jsem sledovala pilotovaný let Apolla 11, během něhož Neil Armstrong přistál na povrchu Měsíce a pronesl onu slavnou větu. A když se v 70. letech na našem pracovišti naskytla příležitost podílet se na přípravě kosmických přístrojů, ani na okamžik jsem neváhala a připojila se ke Zdeňkovi, který měl s konstrukcí přístrojů více zkušeností. Vrcholem této fáze našeho života byl přímý přenos měření parametrů plazmatu během průletu českého satelitu Magion-4 (v rámci projektu Interball-1) magnetopauzou a rázovou vlnou do slunečního větru. Sledovali jsme vše tenkrát na obrazovce počítače v observatoři v Panské Vsi. Sluneční vítr a jeho interakce se zemským magnetickým polem se staly na mnoho let centrem našich vědeckých studií.
Zdeněk: Každého kluka v 60. letech fascinoval prudký rozvoj elektroniky a já na tom nebyl jinak. Zvolil jsem si střední školu s elektrotechnickým zaměřením a následně studoval elektroniku na Fakultě matematiky a fyziky. Byla to doba, kdy začínal vesmírný výzkum, a když jsem zjistil, že se mohu podílet na vývoji přístrojů pro tento obor, bylo rozhodnuto.
Při stavbě přístrojů jsem potkal Janu a od té doby jsme se už nerozešli. Věnovali jsme se fyzice plazmatu, ale později jsme zjistili, že je obtížné dělat dvě věci souběžně. Nemohli jsme současně stavět přístroje pro vesmírný výzkum a zkoumat plazmu v laboratoři, takže jsme si vybrali procesy ve vesmírném plazmatu. Dodnes úzce spolupracujeme, ale neznamená to, že se vždy shodneme; každý z nás má jiný úhel pohledu a někdy se hádáme, ale nakonec vždy najdeme společnou řeč.
Jaké významné výzvy, s nimiž jste se ve své vědecké kariéře setkali, se vám podařilo překonat?
Zdeněk: Ono výzev bylo mnoho a postupně se měnily a posouvaly se dál a dál od Země. Zpočátku jsme chtěli porozumět procesům v magnetopauze, jejímu vzniku za různých podmínek, ale poměrně brzy jsme si uvědomili, že musíme vědět, jak se tyto podmínky mění, což nás dovedlo ke studiu rázové vlny. V té době jsme považovali sluneční vítr za stabilní médium, ve kterém se mohou občas vyskytnout poruchy, jako jsou právě rázové vlny. Při používání různých monitorů slunečního větru jsme postupně dospěli k závěru, že sluneční vítr je živý organismus, jehož parametry je obtížné předvídat. Novou výzvou se logicky stal sluneční vítr, jeho původ a vývoj na jeho cestě od Slunce.
Jana: Předpovídání kosmického počasí vyžaduje měření s vysokým časovým rozlišením a přesností, taková měření jsou ale obtížná vzhledem k omezením hmotnosti a rozměrů přístroje a přenosové rychlosti telemetrie. Faradayovy válce (FC) se používaly od počátku průzkumu vesmíru a my jsme je použili v projektu Interball-1. Tam se ukázalo, že pomocí tříosé stabilizace sondy lze dosáhnout mnohem rychlejších měření. To byl důvod k dlouhé debatě, jak nejlépe přizpůsobit konstrukci FC pro monitorování slunečního větru, aby fungovala podle našich představ. Začátek debat se datuje někam k roku 2005, kdy jsme se se Zdeňkem vraceli večerním autobusem do Prahy po dvoutýdenním pobytu na Univerzitě v Bernu. Stmívalo se, bylo šero, a tak jsme začali diskutovat o možnostech měření parametrů slunečního větru pomocí přístroje určeného pro astrofyzikální projekt Spektr-R
Sonda Spektr-R byla vypuštěna na oběžnou dráhu 18. července 2011 i s naším přístrojem „Bright Monitor of the Solar Wind“ (BMSW). S nadšením jsme sledovali první surová data, která jsme kvůli jejich obrovskému objemu převáděli na fyzikální veličiny celé dny i noci, a nakonec jsme dosáhli skvělého výsledku. Bohužel se jednalo pouze o poloviční úspěch, protože magnetometr na sondě nefungoval. Nicméně přístroj BMSW využil své orientace směrem ke Slunci a určil hustotu, rychlost a tepelnou rychlost protonů a alfa částic slunečního větru s časovým rozlišením 30 ms. Díky tomu BMSW poprvé umožnil stanovení frekvenčních spekter turbulence slunečního větru v magnetohydrodynamickém i kinetickém rozsahu frekvencí. Vysoké časové rozlišení navíc umožnilo detekci prostorových struktur o velikosti pouhých několika kilometrů, čímž přispělo k zodpovězení dosud nezodpovězených otázek týkajících se jemné struktury, skutečných rozměrů a oscilací spojených s meziplanetárními rázovými vlnami a k monitorování variací jak protonů, tak alfa částic za různých podmínek slunečního větru.
Vaše rozsáhlé odborné znalosti v oblasti výzkumu sehrály významnou roli při formování a porozumění našemu oboru. Které práce jsou podle vás nejvíce přelomové?
Jana: Myslím, že v mé práci byly tři takové vrcholy, z nichž dva vycházely z návrhu a vývoje přístrojů a do jisté míry určily směr dalšího výzkumu. Na konci devadesátých let to bylo první dvoubodové měření parametrů plazmatu ve slunečním větru a v různých oblastech magnetosféry. Již zmíněný projekt Interball-1, v němž hlavní satelit doprovázel malý satelit (Magion-4) nesoucí podobné, byť zjednodušené protějšky přístrojů z velkého satelitu, byl jakousi „předzvěstí“ projektu Cluster. Analýza výsledků ukázala nepopiratelné výhody takového přístupu pro výzkum a naznačila možnosti vícebodových pozorování i v malém měřítku.
První výsledky projektů Interball-1 i Cluster vedly k uspořádání konference Reakce magnetosféry na sluneční aktivitu (Magnetospheric Response to Solar Activity), kterou sponzorovalo NATO a COSPAR. V září 2003 přijeli o budoucích směrech výzkumu debatovat na Univerzitu Karlovu vědci z celého světa. Z konference vzniklo 17 příspěvků publikovaných ve sborníku NATO Proceedings a 39 článků, které tvořily obsah tří čísel časopisu Planetary and Space Science.
Druhá fáze souvisí s již zmíněným přístrojem BMSW, který monitoruje sluneční vítr s jedinečným časovým rozlišení parametrů plazmatu. Poslední téma se týká misí Parker Solar Probe a Solar Orbiter, které přinesly velké množství nových poznatků o struktuře a dynamice magnetického pole sluneční koróny, umožňující lépe pochopit, jak se sluneční koróna a vítr zahřívají a urychlují, a také jaké procesy urychlují energetické částice. Obě mise poskytly cenná data například o planetárním prostředí Venuše a Merkuru, naměřily vlny a turbulence ve vnitřní heliosféře a zdůraznily důležitost magnetického přepojením, což je proces, při kterém dochází k explozivnímu přeskupení magnetických siločar. Úchvatná nová fyzika.
Zdeněk: Myslím, že nejdůležitější moment nastal, když jsme pochopili, že sluneční vítr je médium, které nelze popsat jednoduchou magnetohydrodynamikou (MHD), a že plně kinetický popis pravděpodobně navždy zůstane mimo naše možnosti. Uvedu jednoduchý příklad: všichni mluví o rychlosti slunečního větru, ale sluneční vítr se skládá z mnoha částicových populací a každá z nich se pohybuje jinou rychlostí. Vyvstává logická otázka, jaká je tedy rychlost slunečního větru? To je také název jednoho z hojně citovaných článků. Naopak existují i jiné příklady, kdy jedna z nejvýznamnějších prací se zabývá přechodnými zesíleními toku plazmatu v oblasti mezi rázovou vlnou a magnetosférou (Transient Flux Enhancement). Položila základ pro celý směr výzkumu magnetosférických proudů (jets), který je dnes velmi populární, ale myslím si, že jde pouze o pokus najít řád v turbulenci, která je v zásadě nepředvídatelná. Ale ta je oborem Jany.
Společně se svou skupinou kosmické fyziky jste se podíleli na zpracování, analýze a interpretaci dat například z kosmických sond CLUSTER, THEMIS, PSP a SO. Jak ovlivňují omezení přístrojů vaši práci?
Zdeněk: Myslím si, že to je jeden z hlavních problémů a rozporů v současné experimentální kosmické fyzice. V oblasti vesmírného plazmatu, kterým se zabýváme, potřebujeme co nejrychlejší měření jeho parametrů. Tedy potřebujeme dostatečně velký spektrometr s mnoha kanály, které měří paralelně bez skenování v úhlech a energiích. Současným trendem je však miniaturizace vesmírných sond, což požaduje i miniaturizaci přístrojů. Sestavujeme tedy distribuční funkci ze vzorků, které byly naměřeny v různých časech a různých podmínek, nemluvě o statistické chybě vyplývající z malého počtu zaznamenaných částic.
Jana: Domnívám se, že různá omezení v konstrukci měřicích přístrojů mají významný vliv na zpracování dat. Již při prvním zpracování dat jsem si uvědomila, že je nezbytná dokonalá znalost měřicího přístroje. Tato znalost konstrukce a principů měření omezuje především některé chyby, které mohou při zpracování dat vzniknout v důsledku nepřesného pochopení měřicí metody. Dalším zdrojem chyb je vnitřní konstrukce přístroje, kde se používají nové elektronické součástky s vysokou integrací, což na jedné straně umožňuje složitější zpracování dat a různé režimy provozu přístroje, ale na druhé straně však tyto komplikované ovládací prvky vnášejí do zpracování dat další nepřesnosti.
Na co by se podle vás měla zaměřit příští generace zkoumající kosmickou fyziku?
Zdeněk: To je složitější, rádi bychom přesně věděli, jak Slunce funguje. To nám odpoví na řadu dílčích otázek týkajících se mechanismu uvolňování slunečního větru. Slunce se snaží co nejvíce bránit přímému zkoumání svého okolí, ale máme sondu Parker Solar Probe, která přináší spoustu informací z oblasti, kde se sluneční vítr rodí. Ukazuje se, že kritická vzdálenost pro vývoj slunečního větru je někde kolem oběžné dráhy Merkuru. Sonda Solar Orbiter se k Slunci nedostane tak blízko, ale právě zahájila své výzkumy nad rovinou ekliptiky. Věříme, že kombinace pozorování těchto průkopnických misí s dalšími monitory slunečního větru může odpovědět na mnoho dosud nezodpovězených otázek. To je také důvod, proč se podílíme na přípravě mise HENON, která bude monitorovat sluneční vítr ve vzdálenosti 0,9 AU. Domnívám se však, že potřebujeme novou misi podobnou sondě Ulysses, ale mnohem blíže Slunci, která doplní pozorování sondy Solar Orbiter mimo ekliptiku.
Jana: Podle mého názoru se skutečně důležité otázky týkají slunečního větru, protože pochopení jeho původu a šíření určuje naši schopnost předpovídat nebezpečné jevy kosmického počasí. Myslím, že v odborné komunitě panuje v tomto ohledu shoda, měli bychom se však soustředit na skutečné problémy. Každý měsíc vychází na toto téma spousta článků, ale některé z nich se zabývají maličkostmi, které naše porozumění nijak významně neposunou. Příkladem problému, který mě trápí, je směr šíření slunečního větru. Když sluneční vítr opouští otáčející se Slunce, rotuje ve stejném směru, ale u oběžné dráhy Merkuru se otáčí opačným směrem. Jaký fyzikální mechanismus to způsobuje? Odkud pochází obrovská energie potřebná k tomuto obratu? Stále existuje mnoho podobných otevřených otázek.
Co je pro úspěch ve výzkumu slunečně-zemských vztahů klíčové?
Jana: To je velmi obtížná otázka. První věc, která mě napadá, je nadšení a zájem o vědecký výzkum. Ale to rozhodně není vše, potřebujete sílu překonávat překážky a v případě potřeby obětovat část svého volného času. Klíčem k mnoha úspěchům v našem oboru jsou hlubší matematické základy a jejich využití při zpracování dat. To nás vrací k přístrojů, která ovlivňují naše postupy. Dalším důležitým přínosem k řešení různých typů problémů jsou však diskuse s kolegy, studenty a čtení starších publikovaných článků, kde lze najít mnoho inspirativních myšlenek, které byly získány za mnohem omezenějších podmínek.
Teorie slunečního větru, publikovaná v roce 1958 americkým astrofyzikem Eugenem Parkerem, vysvětluje, jak a proč plazma neustále proudí ze Slunce do okolního vesmíru. Zásadně změnila pohled na Slunce a zavedla pojem nadzvukového slunečního větru. Parker již dříve předpokládal, že sluneční koróna je extrémně horká, což způsobuje její neustálé rozpínání do okolního vesmíru, protože sluneční gravitace nedokáže takový horký plyn udržet. Na rozdíl od tehdejšího obecně přijímaného názoru, že tok slunečního větru je přerušovaný (spojený pouze s erupcemi na Slunci), Parker navrhl, že se jedná o nepřetržitý proud plazmatu. Ačkoli se jeho teorie zpočátku byly přijímána se skepsí, byla potvrzena měřeními sond Luna 1 a 2 v roce 1959 a sondy Mariner 2, která během své cesty k Venuši v roce 1962 poskytla podrobná a dlouhodobá měření. Ta definitivně potvrdila existenci slunečního větru, protože určila jeho hustotu, rychlost a složení a ukázala jejich časové variace. A co pro nás tento podrobný popis znamená? Nepodceňujte starší teorie a výsledky, koneckonců Parkerova teorie platí s určitými omezeními již více než padesát let. Na druhou stranu je dobré se poučit z příkladů a nebát se při svém výzkumu popustit uzdu fantazii.
Zdeněk: Pojem úspěchu je relativní, v každém případě vyžaduje intenzivní práci a soustředění. Prioritou je zabývat se celou širokou oblastí, nikoli jen úzkou problematiku, která je například předmětem disertační práce. Objevy v jedné výzkumné oblasti vás mohou inspirovat a nasměrovat k průlomovým objevům v příbuzném oboru. Dalším důležitým aspektem je nahlížet na vše kriticky a nepřijímat interpretace a názory jiných lidí jen proto, že byly publikovány v prestižním časopise. V historii najdeme mnoho objevů, které byly dříve či později vyvráceny; jako jeden z nedávných příkladů může posloužit studená fúze. V neposlední řadě, teorie a počítačové modelování jsou hezké, ale řešení známých rovnic nás nemůže posunout příliš daleko za hranice současných znalostí. Klíčem je experiment, který ukáže něco nového, ale měli byste si být jisti, že je to opravdu nové, a ne pouze efekt způsobený přístrojem.
Mrittika Ghosh je doktorandkou na
Matematicko-fyzikální fakultě Univerzity Karlovy. Její výzkumné zájmy se
zaměřují na plazmovou astrofyziku a fyziku akrece.
Liliana Macotela je vedoucí výzkumnice v Norském výzkumném
centru v Tromsø. Její výzkum se zaměřuje na situační povědomí o vesmíru, zejména v oblastech vesmírného odpadu a vlivu Slunce na zemskou
ionosféru.