- Časopis Quark - https://www.quark.sk -

Štúdium vesmírnych poslov

Detekcia elektromagnetického žiarenia je pomerne priamočiara. Využívajú sa na ňu optické ďalekohľady. Ich šošovka alebo zrkadlo svetlo zozbiera a za ďalekohľadom je nainštalovaný prístroj, ktorý toto svetlo analyzuje. Štúdium vysokoenergetických častíc kozmického žiarenia je zložitejšie.

Simulácia ukazuje spŕšku vytvorenú mimoriadne energetickým protónom, vizualizácia wikipédia/Dinoj/AIRES.

Už je to viac ako 400 rokov, odkedy sa v astronómii začal používať jedinečný prístroj, ktorý nesmiernym spôsobom rozšíril naše obzory a umožnil množstvo zaujímavých objavov – ďalekohľad. Môžeme si ho predstaviť ako akúsi studňu, ktorá však nezachytáva vodu, lež viditeľné svetlo. Až s rozvojom detekčných techník v 20. storočí bolo možné rozšíriť pozorovania elektromagnetického spektra o oblasti mimo štandardných vlnových dĺžok, na ktoré je citlivé ľudské oko. Výstavba rádioteleskopov nám umožnila pohľad na vesmír aj v rádiových vlnách. Rozvoj detektorov umožnil pozorovania aj v röntgenovej až gama oblasti.

Oživenie záujmu

Začiatkom 20. storočia sa ukázalo, že z vesmíru do atmosféry prichádzajú okrem elektromagnetického žiarenia aj rôzne iné častice (pozri Quark 4/2021). Okrem obrovského množstva neutrín, ktoré však interagujú iba minimálne, sú to najmä protóny a jadrá rôznych prvkov. Tieto častice súhrne nazývame kozmické žiarenie.
Štúdium kozmického žiarenia významnou mierou prispelo k prehlbovaniu poznatkov jadrovej fyziky. Vznikol tak nový odbor nazývaný astročasticová fyzika. Merania ukázali, že tieto častice dosahujú mimoriadne vysoké energie a ich interakcie s atmosférou tak predstavovali v minulosti jedinečné laboratórium na štúdium fyziky vysokých energií. Pred vznikom časticových urýchľovačov to bol dokonca jediný spôsob, ako bolo možné tieto častice sledovať. S nástupom urýchľovačov v 50. rokoch záujem o štúdium kozmického žiarenia postupne upadal, pretože urýchľovače poskytujú kontrolované podmienky. No v posledných troch desaťročiach záujem o skúmanie týchto vesmírnych poslov narastá. Je to najmä z dôvodu, že energie, ktoré tieto častice dosahujú, ďaleko presahujú schopnosti aj tých najvýkonnejších urýchľovačov, akým je napríklad známy Veľký hadrónový urýchľovač pri Ženeve.

Extrémne vysoké energie

To, s akou početnosťou a s akými energiami tieto častice prichádzajú do atmosféry, vyjadrujeme energetickým spektrom. To je široké, od oblasti megaelektrónvoltov až po energie presahujúce 1020 elektrónvoltu. Elektrónvolt (eV) je jednotka energie využívaná v jadrovej a subjadrovej fyzike. Ide o veľmi malú hodnotu v porovnaní s klasickými makroskopickými energiami vyjadrenými v jouloch. Možno si ju ľahko predstaviť ako energiu, ktorú získa elektrón umiestnený medzi dve nabité platne, medzi ktorými je napätie jeden volt. Pri energiách 1020 eV už ide o makroskopické energie, ktoré vieme ľahko vyjadriť v jouloch. Takúto energiu má napríklad tenisová loptička pri rýchlosti asi 70 km/h. Na prvý pohľad to nevyzerá na nejakú obrovskú energiu. Treba si však uvedomiť, že celá energia takejto tenisovej loptičky, ktorá je zložená z obrovského počtu atómov, je koncentrovaná na jednu subatomárnu časticu.

Rozmiestnenie detektorov observatória Pierra Augera, zdroj arXiv:1709.01537v3 [astro-ph.IM]

Kozmické urýchľovače

Z energetického spektra je tiež zrejmé, že početnosť týchto častíc rýchlo klesá. Pri tých najvyšších energiách je frekvencia jedna častica na km2 za jedno storočie! Z tohto dôvodu je potrebná veľká detekčná plocha, aby bolo možné zachytiť dostatočný počet častíc.
Vyvstáva otázka, aké objekty vo vesmíre sú schopné častice na takéto energie urýchliť. Samotné spektrum sa mení so stúpajúcou energiou. Sklon spektra sa mierne mení pri rôznych energiách a vo výsledku pripomína akoby ľudskú nohu. Odtiaľ pochádzajú názvy jednotlivých oblastí (koleno, členok a tzv. GZK orezanie), kde sa sklon mení. Predpokladá sa, že tieto oblasti sú spôsobené práve maximálnymi energiami, na ktoré sú rôzne vesmírne urýchľovače schopné častice urýchliť. V prípade energií nad 1018 eV (členok) sa uvažuje, že nastáva sploštenie spektra z dôvodu, že v tejto oblasti už začínajú pôsobiť extragalaktické zdroje, teda objekty mimo našej Galaxie.
To pred niekoľkými rokmi potvrdili aj pozorovania. Konkrétne zdroje však pri týchto energiách zostávajú naďalej neznáme, a preto sú potrebné ďalšie pozorovania. Existuje, samozrejme, viacero teórií, ktoré podozrievajú konkrétne extragalaktické zdroje a čakajú na svoje potvrdenie alebo vyvrátenie.

Pokračovanie článku si môžete prečítať v časopise Quark 6/2021. Ak chcete mať prístup k exkluzívnemu obsahu pre predplatiteľov, prihláste sa. Ak ešte nie ste naším predplatiteľom, objednajte si predplatné podľa vášho výberu tu.

Mgr. Patrik Čechvala
Fakulta matematiky, fyziky a informatiky
Univerzita Komenského v Bratislave
Táto práca bola podporená Agentúrou na podporu výskumu a vývoja na základe zmluvy č. APVV-18-0103.

Komentáre