Zrcadla ze Společné laboratoře optiky Univerzity Palackého v Olomouci a Fyzikálního ústavu (SLO) jsou klíčovou součástí několika detektorů kosmického záření rozmístěných po celém světě. Petr Schovánek stál u samotného začátku řady významných mezinárodních projektů v této oblasti a nadále hledá cesty, jak zrcadlové systémy vylepšit, zjednodušit a zlevnit jejich výrobu při zachování parametrů. Samostatnou kapitolou je pak péče o ty, které již ve světě fungují. I na Observatoři Pierra Augera v Argentině, na projektu, na němž vyrostla celá generace předních českých astrofyziků zaměřujících se na zkoumání částic kosmického záření a na jejímž fungování se podílí také současný i minulý ředitel Fyzikálního ústavu.
Jak jste se v Olomouci k výrobě zrcadel pro observatoře studující kosmické záření dostali?
Úplně prvním krokem, byl v polovině 90. let projekt umístěný ve vesničce Thémis na posledním francouzském svahu Pyrenejí. Zde byla v objektu bývalé sluneční elektrárny vybudována observatoř CAT – Cherenkov Array at Themis. Realizace projektu vyžadovala vývoj a dodávku zrcadlové plochy složené z 90 sférických zrcadel o rádiusu 12 metrů s průměrem padesát centimetrů. Problém byl v nalezení partnera, který by byl schopen v relativně krátkém čase jednoho roku zrcadlové segmenty v požadované kvalitě dodat. Jak tomu bývá často, pomohla náhoda, shodou okolností se potkali tři spolužáci ze střední školy. Jeden z nich byl náš kolega Jiří Keprt, druhý Jiří Vrána, který mezitím emigroval a pracoval na univerzitě v Paříži a třetí pak Ladislav Rob. Tři kamarádi se domluvili na tom, že by nebylo špatné, kdyby se tohoto projektu účastnila i Česká republika a přišli za mnou s dotazem, zda by tímto partnerem nemohla být SLO. Pro nás to byla úplně nová věc, netroufal jsem si něco tak komplikovaného slíbit, nicméně byla to výzva, kterou jsem přijal.
Co všechno začátky obnášely?
Začali jsme „na koleni“ s minimem zkušeností v daném oboru stavět optickou dílnu, která by byla schopná taková zrcadla udělat. Objel jsem republiku a zjistil že pro tento projekt nenajdu partnera, který by zajistil depozici reflexní vrstvy na optické prvky požadovaných rozměrů v požadované kvalitě. Takže jsme se kompletní výroby zrcadel ujali sami. Využil jsem entuziazmu lidí v různých firmách, kterým jsem vysvětlil, k čemu je jejich spolupráce potřeba a kteří byli ochotni pomoct. V průběhu doby pak v naší laboratoři vznikl kolektiv specialistů na různé technologie v optické výrobě, který je schopen pružně reagovat na potřeby vědeckých projektů s různými požadavky na zrcadlové systémy.
S kým jste v těch začátcích, než jste se vše naučili sami, spolupracovali?
V Brně nám vyrobili ze speciální litiny lisovací formu. Na Sázavě jsme se skláři vymysleli technologii pro lisování polotovarů zrcadel ze Simaxu. Simax je běžné sklo, které můžete znát z kuchyně, ale původně byla jeho výroba zavedena pro využití v oknech ponorek. Jeho velkou výhodou je, že je velmi málo citlivé na teplotní změny. To znamená, že když bude vystavené teplotám v rozsahu -30 až 50 °C, nejen že takové podmínky vydrží, ale jeho optické parametry se významně nezmění. Vedle toho bylo potřeba vyvinout depoziční aparaturu, která byla schopná na zrcadla nanést vysoce reflektivní vrstvu, protože samotné sklo má odrazivost jenom malou a v těchto aplikacích je potřeba sbírat každý foton. Tento problém nám pomohli vyřešit specialisté z Rožnova pod Radhoštěm. Když nám vypověděl službu frézovací stroj, velmi nám pomohli s dokončením projektu kolegové z bývalé VOD v Turnově.
A projekt byl, zdá se, úspěšný…
Velmi úspěšný, projekt byl oceněn stříbrnou medailí francouzské akademie věd. Hned nato přišel druhý projekt na stejném místě, který se jmenoval CELESTE. Což je akronym pro Cherenkov Low Energy Sampling and Timing Experiment. Z názvu je zřejmé, že se v projektu jednalo o časové vzorkování dopadu vlnoplochy Čerenkovského záření. V detektoru byla na tehdejší poměry velmi rychlá elektronika, a tak bylo možné rozlišovat čas, kdy čerenkovské fotony vybuzené kosmickým zářením dopadly na primární zrcadlo. Což bylo velmi podstatné, protože díky přesnému časovému rozlišení bylo možné určit tvar dopadající vlnoplochy a získat tak informace o primárním signálu.
Zrcadla ve Společné laboratoři optiky v Olomouci
Jak vlastně probíhá transport takových rozsáhlých a jistě velmi choulostivých zrcadel na místo určení. Ať již do Francie, nebo třeba do Argentiny na observatoř Pierra Augera, ke které se ještě dostaneme? Člověk by si představil vládní speciály a ochranku v rukavičkách…
Úplně jednoduše – v bednách. Tak vezměte si třeba skleněný pekáč, který používáte na pečení v troubě, je ze stejného skla jako naše zrcadla, tak jak s ním zacházíte?
Asi ne tak, jako se zrcadlem. Dám ho do myčky, vydrhnu kartáčem…
Co se týká mechanické odolnosti, ty skleněné substráty zrcadel snesou hodně. Když jsme posílali první zrcadla do Francie, tak byla svázaná do jednoho balíku, jedno zrcadlo deset kilo i s bednou, takže to celkem vážilo nějakých šedesát kilo. Balík spadl při vykládání z letadla z pásu, jedno zrcadlo se rozbilo na kusy a u druhého se odštípl okraj. Tím chci říct, že když jsou zrcadla dobře zabalená, tak se jim ani při pádu na letištní plochu nemusí nutně něco stát. Do Argentiny na observatoř Pierra Augera pak byla zrcadla dopravována v kontejneru po moři. Přepravní firma vše odvezla ze dvora FZÚ až do celního skladu do Argentiny. Pak byl obvykle složitý problém dostat zásilku z celního skladu, takže nějakou dobu trvalo, než zrcadla dorazila na místo určení do Malargüe. Malargüe je dnes už město, vzdálené asi 350 km po dálnici na jih od Mendosy v podstatě na severní hranici Patagonie.
Jak na stavbu takové observatoře koukají místní obyvatelé? Pro ně jde asi o docela velký zásah do jejich bezprostředního okolí?
Třeba právě výše zmíněné Malargüe za ty roky zažilo obrovský boom. Když jsme začali projekt připravovat vedla přes Malargüe upravená asfaltová centrální silnice, čtyřproudá, místy šestiproudá, na jedné straně socha Krista, na druhé straně byl orloj, ale další paralelní silnice, už nebyly asfaltové a dnes už je vyasfaltovaná i nějaká pátá, šestá vedlejší silnice. Vyrostla zde spousta škol, a to nejen základních, do města nateklo hodně peněz, bydlí v něm stále vzdělanější lidé. Celá oblast jde díky tomuto projektu hodně dopředu. Význam projektu pro rozvoj města si uvědomuje nejen místní municipalita nebo guvernér, ale i jeho občané. Prudký rozvoj oblasti s sebou, ale samozřejmě nese i nějaká úskalí pro projekt. Jak město roste, všichni si svítí, místní firmy osvětlují velké plochy, ulice svítí, jeden z teleskopů už musel být odstavený, protože jeho kamera složená z fotonásobičů byla zahlcena světelným šumem. Takže optickým detektorům přítomnost civilizace samozřejmě vadí. Jedním z důvodů, proč jsou pro stavbu projektů tohoto typu vyhledávány odlehlé oblasti, je právě nepřítomnost světelného smogu.
To je ale problém, když podobný projekt automaticky znamená velký rozvoj dané oblasti…
Konkrétně Observatoř Pierra Augera zaujímá plochu 3 000 km2, což je pro představu plocha srovnatelná s Libereckým či Karlovarským krajem, takže je tam stále dost detektorů, které pracují v absolutní tmě. Tento projekt je hybridní, je založený na dvou principech detekce. Optická detekce sleduje v atmosféře fluorescenční záření produkované molekulami dusíku po srážce s vysokoenergetickou částicí kosmického záření, která do atmosféry přiletěla z vesmíru. Optický detektor tvoří čtyři observatoře na kopcích okolo náhorní plošiny, každá má šest teleskopů, které jsou otočeny čelem k sobě a staticky se dívají do atmosféry. Kamery těchto detektorů čekají na velmi krátký a slabý optický signál, proto potřebují co největší tmu. Po celé ploše observatoře jsou pak rozmístěny ještě pozemní detektory záření. Tyto povrchové detektory nesledují atmosféru, nejsou to typicky optické přístroje, nemají zrcadla. Jde o sudy s deseti kubíky čisté vody rozmístěné v trojúhelníkové síti 1,5 km od sebe, celkem jich je 1 600. V sudech s vodou jsou umístěné fotonásobiče sledující záblesky Čerenkovského záření, které vznikají ve chvíli, kdy se částice z kosmického záření pohybují ve vodním prostředí rychleji než světlo. Což je zdánlivý protimluv, víme, že nic není rychlejší než světlo ve vakuu, nicméně světlo v opticky hustším prostředí než je vakuum má rychlost, která už není rovna rychlosti světla ve vakuu, ale jeho šíření je podstatně pomalejší. Vysokoenergetická částice při pohybu ve vodním prostředí produkuje brzdné záření a fotonásobiče detekují čerenkovský signál. V každém sudu jsou pak tři fotonásobiče sledující dění uvnitř. V okamžiku dopadu vysokoenergetické částice do sudu je odeslán signál o události. Po vyhodnocení signálů ze všech sprškou zasažených pozemních detektorů je možné spršku rekonstruovat. Tyto detektory umí normálně pracovat i ve dne, světlo jim nevadí.
Zrcadlo FD2
Vy se o ta zrcadla pak ještě dále staráte, provádíte jejich údržbu. Jak se taková zrcadla čistí?
Složitě. Zrcadlový systém je třeba rozebrat, každý zrcadlový segment je třeba sundat a vynést mimo vlastní observatoř, do jiné místnosti. Na čištění se pak používá voda, kterou jsou opláchnuty prachové částice. V případě výskytu jiných nečistot je potřeba posoudit, o jaký typ znečištění se jedná. Musíme poznat, jestli je to například mastné, protože na detektorech je spousta součástí naolejovaných, taky tam občas vletí nějaký ten netopýr, po něm tam zbydou organické nečistoty, také tam chodí uklízečky, které jsou zdrojem dalších nečistot a ty všechny ulpívají na zrcadlech. Je potřeba nečistoty identifikovat a zvolit správnou technologii na vyčištění. Čištění zrcadel, které významně nesníží jejich životnost a reflektivitu je poměrně sofistikovaný technologický postup za použití různých rozpouštědel.
Takže tam s vámi ještě chodí chemik?
Ne, chemika si dělám sám. Na základě zkušeností už obvykle poznám původ znečištění. Když je zrcadlo čisté, je funkční plochu potřeba osušit, k tomu používáme stlačený dusík. Pak je možné zrcadla umístit zpět na nosnou konstrukci a teleskop znovu najustovat.
Jakou mají zrcadla v observatoři životnost?
Původně se předpokládalo 15 let, ale první zrcadla jsou tam někdy od roku 2004 a pořád fungují. Nesmí se významně měnit jejich reflektivita, to by byl pro detektor zásadní problém. Reflektivitu pravidelně sledujeme, co půl roku měříme parametry odrazivosti, abychom byli schopni korigovat detektorem naměřené hodnoty. Ale jestli byla na začátku reflektivita 99 %, tak dneska je o jedno, jedno a půl procenta nižší, což je pořád skvělé číslo.
Kam se vývoj teleskopů ve Společné laboratoři optiky ubírá nyní?
Učíme se dělat lepší kalibrace detektorů, zmenšujeme chyby měření, teleskopy po konstrukční stránce stále zjednodušujeme, chceme, aby jejich nasazení bylo variabilnější, aby jejich použití nezáviselo na vnější infrastruktuře, snažíme se radikálně snižovat jejich cenu. Spolu s kolegy z Japonska a Ameriky jsme postavili pět velmi kompaktních detektorů. Těmto teleskopům říkáme FAST, jsou malé – dva metry v průměru, a velmi levné. Detektory obsahují čtyři fotonásobiče, skládané zrcadlo, optický filtr, který propouští jenom určitou část ze spektra optického záření a jsou instalovány v samostatných kontejnerech. Ty kontejnery jsou uzavřené, mají automaticky ovládané shuttery, vlastní napájení, vlastní energii, vlastní komunikaci. Postavit je lze tedy opravdu kamkoliv. Tři teleskopy typu FAST provozujeme v Utahu, kde jsou instalovány v rámci spolupráce s projektem TA (Telescope Array), dva pak v oblasti Los Leones ve spolupráci s projektem Pierre Auger. Nyní z nich sbíráme data a snažíme se prokázat, že naše idea je životaschopná a že umožní s nesrovnatelně menšími investicemi, než jsou u takových projektů obvyklé, postavit kdekoli zařízení na detekci kosmického záření.
Detektor FAST v americkém Utahu
Aplikace zrcadlových ploch, ale můžeme najít na experimentech, které s výzkumem kosmického záření nesouvisí...
Máte pravdu, vyvinuli jsme technologii na výrobu zrcadel pro detekci Čerenkovského záření na urychlovačích částic i v této oblasti jsou naše zrcadla vyhledávanými komponenty pro stavbu detektorů například v laboratoři CERN, ale to je téma na další rozhovor.
Přehled projektů na detekci optických signálů, na kterých jsou používány zrcadlové systémy dodané v posledních 30 letech skupinou aplikované optiky ze SLO.
- CAT – Francie
- CELESTE – Francie
- Zrcadlový systém detektoru Čerenkovského záření pro experiment DIRAC (DImeson Relativistic Atomic Complexes) at CERN.
- Zrcadlové systémy pro optické detektory projektu Pierre Auger v Argentině.
- Zrcadlové systémy pro optické detektory projektu HEAT (High Elevation Auger Telescopes).
- Sadu prototypových segmentů a vyhrané výběrové řízení na dodávku zrcadel pro RICH detektor CBM (Compressed Baryonic Matter) v Darmstadtu
- Zrcadlový systém Čerenkovského detektoru RICH -1 pro projekt LHCb (Large Hadron Collider blue) CERN.
- Prototypy zrcadel pro balonový experiment projektu JEM-EUSO-SPB2 (Joint Experiment Missions – Extreme Universe Space Observatory – SPB2)
- Zrcadlové systémy pro detektory typu FAST (Fluorescence detector Array of Single-pixel Telescopes)
- Zrcadla pro projekt CTA – Cherenkov Telescope Array