Zástupci 36 výzkumných institucí z 9 zemí podepsali k prvnímu červenci 2019 dohodu o vytvoření nové mezinárodní spolupráce ve výzkumu a vývoji zaměřené na vybudování nové širokoúhlé observatoře gama záření na jižní polokouli (observatoře SWGO). Zakládajícími zeměmi observatoře SWGO jsou Argentina, Brazílie, Česká republika, Itálie, Mexiko, Německo, Portugalsko, USA a Velká Británie.
1. července 2019 byla v Lisabonu na setkání mezinárodní vědecké komunity podepsána významná dohoda o mezinárodní spolupráci ve výzkumu a vývoji mezi 9 zeměmi, která umožní vytvoření nové širokoúhlé observatoře gama záření na jižní polokouli (SWGO – Southern Wide field-of-view Gamma-ray Observatory). Tato observatoř bude podle současných plánů postavena v Andách v nadmořské výšce přes 4,4 km, což umožní detekovat nejenergetičtější gama záření. Toto záření tvoří fotony s miliardkrát až bilionkrát vyššími energiemi, než jaké mají fotony viditelného světla. Tímto způsobem bude možné prozkoumat nejextrémnější jevy a prostředí ve vesmíru a zodpovědět stále nezodpovězené otázky ohledně původu vysokoenergetického kosmického záření, částic temné hmoty a možných odchylek od Einsteinovy teorie relativity. Umístění observatoře na jižní polokouli umožní prozkoumat nejzajímavější oblast naší Galaxie, její střed, kde se nachází černá díra o hmotnosti čtyř milionů Sluncí. Širokoúhlé pozorování je ideální nejen pro hledání proměnných zdrojů, ale rovněž pro zkoumání rozsáhlých emisních oblastí jako jsou ”Fermiho bubliny”, případně oblastí, kde může probíhat anihilace temné hmoty. Je samozřejmě možné, že observatoř objeví i další dosud neznámé jevy, při kterých gama záření ve vesmíru vzniká.
„Nová observatoř bude nesmírně důležitá pro pozorování časově proměnných zdrojů a zaplní mezeru v globální síti tzv. “multi-messenger” pozorování gravitačních, elektromagnetických a neutrinových observatoří. Observatoř bude rovněž schopna posílat upozornění o náhlých záblescích ostatním observatořím a experimentům, a bude tak plně komplementární k nové generaci Čerenkovových teleskopů tvořící tzv. Cherenkov Telescope Array – CTA,” vysvětluje Jakub Vícha z Fyzikálního ústavu Akademie věd ČR, zástupce České republiky v projektu.
Design této nové observatoře vychází z poznatků současných pozemních gama observatoří, jako je HAWC v Mexiku a LHAASO v Číně. Konkrétně se plánují používat vodní Čerenkovovy detektory zachycující pozemní signál od spršek částic, které vznikají po interakci gama záření v atmosféře. Tyto detektory zachytávají tzv. Čerenkovovo záření, které vzniká při průchodu částic vodou vyšší rychlostí, než je rychlost šíření světla ve vodě. Nicméně stále je potřeba vyvinout nové koncepty a technologie detekce, aby se zvýšila citlivost observatoře a snížil se tak energetický práh, nad který bude možné gama záření pozorovat.
První emise vysokoenergetického gama záření byla pozorována teprve před 30 lety ze směru Krabí mlhoviny. Od té doby již byly objeveny stovky zdrojů takovýchto extrémních energií. Mnoho těchto galaktických a extragalaktických zdrojů je proměnných a trvání náhlých záblesků může trvat dny, hodiny, minuty, nebo dokonce pouhé sekundy. Studium takovýchto jevů vyžaduje observatoř jako je SWGO, která bude schopna nepřetržitě monitorovat velkou část oblohy v energiích, které jsou mimo dosah satelitních experimentů, a zároveň pracovat v tzv. “multi-messenger” režimu. To znamená, že observatoř musí být schopna upozornit ostatní experimenty na zajímavé události a pozorovat oblasti na obloze ve směru detekce neutrin, gravitačních vln nebo signálů z dalších gama observatoří.
Přímé pozorování primárního gama záření je možné pouze na detektorech umístěných na satelitech, jako je např. Fermi. Cena materiálu na oběžné dráze nicméně omezuje velikost takovýchto detektorů, a tudíž i jejich citlivost, jelikož tok gama záření strmě klesá s energií. Interakcemi gama záření v atmosféře vznikají spršky sekundárních částic, které mohou být posléze studovány observatořemi umístěnými na zemském povrchu. Jedná se o detektory dvojího typu – používají se jednak Čerenkovovy teleskopy, které se mohou najednou zaměřit pouze na malou část oblohy jako v případě CTA, a také pole povrchových detektorů umístěných ve vysokých nadmořských výškách, jako v případě SWGO. Čerenkovovy teleskopy jsou velmi přesná zařízení, ale mohou měřit pouze během jasných nocí. Z tohoto důvodu tyto teleskopy využívají pozorování z méně přesných komplementárních observatoří, jejichž měření ukazují na zajímavé oblasti oblohy, kam se může teleskop zaměřit. Pozemní širokoúhlé observatoře jsou navíc schopny pozorovat ty nejvyšší energie gama záření a jsou ideálním nástrojem pro hledání proměnných zdrojů a emisí záření z velkých oblastí na obloze.
Znázornění spolupráce komplementární observatoře (Čerenkovovy vodní detektory ve výšce 4–5 km n. m.) a přesných Čerenkovových teleskopů ve výšce 1–3 km n. m. (Autoři: A. Albert a kol.).
Účast Fyzikálního ústavu AV ČR v projektech detekce gama záření vysokých energií
Fyzikální ústav se na svých pracovištích v Praze a v Olomouci dlouhodobě intenzivně podílí na přípravě observatoře CTA, která využije rozsáhlého pole Čerenkovových teleskopů a bude podrobně studovat gama záření v okolí předem definovaných zajímavých zdrojů ve vesmíru. Skupina z Oddělení astročásticové fyziky přispívá i ke konceptu řešení širokoúhlé observatoře gama záření, kde v současnosti pomocí Monte Carlo simulací studuje detekční schopnosti různých konfigurací vodních Čerenkovových detektorů a dalších zařízení jako jsou např. RPC detektory (Resistive Plate Chamber). Vstup do výzkumného a vývojového programu SWGO představuje přirozené doplnění aktivit výzkumného týmu pracujícího v CTA a pokračování v jejich rozběhlých výzkumných aktivit na přípravě komplementární celooblohové observatoře. Všechny tyto aktivity přirozeně doplňují i dlouhodobou činnost ústavu v oboru detekce extrémně energetického kosmického záření na Observatoři Pierra Augera, mimo jiné i pomocí vodních Čerenkovových detektorů.