O otevřených otázkách astročásticové fyziky s Jakubem Víchou
Odkud k nám přilétají vysokoenergetické částice kosmického záření a jak vůbec můžeme zjistit, o jaké částice jde? Máme šanci díky nim objevit úplně nové fyzikální děje? A může kosmické záření ovlivňovat počasí? Na tyto otázky stále nemáme jednoznačné odpovědi, ale výzkum Jakuba Víchy z Oddělení astročásticové fyziky na FZU AV ČR nás odhalení těchto záhad stále více přibližuje.
Nedávno jste ve Physical Review D publikoval novou metodu popisu spršek vyvolaných vysokoenergetickým kosmickým zářením, která nám umožní lépe poznat jeho složení. Mohl byste nám ji blíže popsat?
Už delší dobu pozorujeme nesoulady mezi naměřenými daty a modelovými předpověďmi, jak částice ve sprškách interagují. Dlouho se tyto rozpory interpretovaly pomocí jednoho druhu částic, které vznikají ve sprškách. Těm říkáme miony. Těch se totiž pozoruje oproti předpovědím mnohem více. Dříve se předpokládalo, že máme problém pouze s miony generovanými modely hadronických interakcí, které probíhají ve sprškách kosmického záření, ale ukázali jsme, že máme komplexnější problém: pronikavost spršek v atmosféře je mnohem hlubší, než nám modely předpovídají. To v důsledku ovlivňuje naše určování složení kosmického záření.
Souvisí to s původní částicí a s její rychlostí nebo drahou?
Hlavně s typem původní částice. Mě jednou napadlo problém zobecnit a nedívat se jen na to, že můžeme mít nesoulad v mionech, ale že jádro problému může spočívat také ve škále pronikavosti částic do atmosféry, což je nejvhodnější parametr, který používáme pro určování jejich složení. Výsledky mé metody byly překvapivé v tom, že se ukázalo, že původní modely interakcí ve sprškách udávají předpovědi mimo pozorovaná data, a to i v tomto parametru.
To, co detekujeme, není původní vysokoenergetická částice, ale jí způsobené spršky sekundárních částic. V nich dochází ke spoustě jevů, které musíme vzít v potaz pohromadě. Představme si je jako kaskádu. A ta nabývá svého maxima jinak hluboko a probíhá jinak, než jsme se dříve domnívali. V důsledku jsou detekované původní částice nejspíš mnohem těžší, a mají tedy větší náboj, díky čemuž se více zakřivují v magnetickém poli naší galaxie a ztrácí se tak více informace o směru, ze kterého částice do naší galaxie přiletěla.
Nakolik nám třeba data z urychlovačů pomohou spršky lépe popsat?
Urychlovače nám do jisté míry pomůžou, ale mají svá omezení. Energie, které pozorujeme, jsou o mnoho řádů vyšší, a zároveň je to trochu jiná oblast zkoumání. Na synchrotronových urychlovačích se sráží dvě rychle letící částice proti sobě, kdežto my máme vysokoenergetickou částici kosmického záření, která naráží prakticky do stojících jader v atmosféře. Takové srážky nejsou úplně porovnatelné. Námi sledované srážky budou převážně periferální, což znamená, že částice se s tím jádrem jenom „škrtnou“. Kdežto na urychlovačích se zkoumají hlavně vzácné srážky, kdy se částice střetnou přímo proti sobě – jde o jiný kinematický prostor zkoumání.
Když se snažíme interpretovat, co nám to vlastně přiletělo do atmosféry za částici, musíme měření z urychlovačů extrapolovat a představovat si, jak se následné srážky chovají v oblastech, které nemáme podrobně zmapované. A čím vyšší energie, tím jsou extrapolace více nejisté a částice kosmického záření vzácnější, a to výrazně. Když chceme desetkrát energetičtější částici, je zhruba tisíckrát vzácnější. Na nejvyšších energiích už se dostáváme do oblasti, že jedna částice na kilometr čtvereční přiletí v průměru tak jednou za století.
Takže když Observatoř Pierra Augera stojí napříč třemi tisíci kilometry čtverečními, v průměru několik ročně jich zpozorujeme, že?
Ano, na těch nejvyšších energiích očekáváme třeba jednu až dvě částice ročně.
Nakolik se zdroje kosmického záření překrývají se zdroji gama záření, které detekuje třeba CTA[1] nebo do budoucna SWGO[2]? Mohou nám pomoci tyto observatoře?
Je tam určitý překryv, ale vycházíme z předpokladu, že když dochází k nějakým extrémním procesům, vzniká při nich jak gama záření, což jsou fotony, tak i kosmické záření, což jsou jádra prvků. Ale přímou souvislost mezi zdroji gama a kosmického záření na nejvyšších energiích se ještě nepodařilo prokázat.
Snažíme se své předpoklady testovat, proto si třeba vybíráme zajímavé zdroje v gama oblasti a pak se snažíme najít, jestli existuje nějaká korelace se směrem přilétajícího kosmického záření. Ovšem to je za předpokladu, že to kosmické záření o nejvyšších energiích je lehké, to znamená tvořené jádry vodíku, protony. Ovšem i díky mé metodě se spíše ukazuje pesimističtější možnost, že jde o velmi těžká jádra až po železo. To naše snahy najít jejich směr výrazně komplikuje.
Existují nějaké předpoklady, kolik takových částic k nám zvládne doputovat ze vzdálených zdrojů jako třeba aktivních galaktických jader?
Pro nás jde stále o relativně blízký vesmír. Existuje jistý horizont kosmického záření, odkud k nám mohou částice přiletět. Ten je relativně malý, okolo 100 megaparseků – tedy asi 326 milionů světelných let [pozn. red.: to je zhruba trojnásobek průměru Místní nadkupy v Panně a najdeme zde přinejmenším tisíce galaxií]. To je pořád relativně blízký vesmír. Průhlednost vesmíru pro tyto částice je totiž limitovaná tím, že vesmír není úplně tak prázdný, ale obsahuje velké množství reliktních fotonů.
Dříve jsme si mysleli, že když se podíváme na spršky vyvolané kosmickým zářením o nejvyšších energiích a získáme dostatečnou statistiku, odkud k nám záření přilétá, tak nám protony krásně ukážou na nějaký zdroj, který známe a nachází se v této oblasti. Jenže situace je jiná. Směry příletu jsou poměrně izotropní napříč oblohou. Nevidíme, že by se hromadily z nějakého daného směru.
Může v tom nějakou roli hrát i stále neznámá temná hmota?
S ní počítají některé exotické scénáře vzniku kosmického záření. Máme velký problém teoreticky vysvětlit, jak v nějakých astrofyzikálních zdrojích ty nejenergetičtější částice vůbec můžou vznikat. Potřebujete mít hodně silné magnetické pole, poměrně velké objekty a zároveň malé energetické ztráty při urychlování. Jedna z alternativ byla, že už záhy po velkém třesku byl vesmír vyplněn nějakými supertěžkými částicemi, které by mohly záření produkovat.
Něco jako hypotetizované primordiální černé díry?
Něco podobného. Takové supertěžké částice by se mohly postupem času rozpadat. A rozpadaly by se třeba právě na částice kosmického záření. A tam bychom čekali izotropnější rozložení i větší zastoupení fotonů.
Takže gama záření?
Ano, ale o úplně extrémních energiích, až na deset na dvacátou elektronvoltu. Ale tato hypotéza je už téměř vyvrácena. Nevidíme, že by spršky byly vytvářeny převážně fotony. Takže tyhle exotické scénáře můžeme prakticky vyloučit.
Co nám o zdrojích gama záření i původu kosmického záření může napovědět chystaná observatoř SWGO?
Ta nám rozhodně umožní najít více zdrojů, které nám v současnosti unikají, protože na jižní polokouli dosud žádnou takhle širokoúhlou observatoř nemáme. Jedním z hlavních očekávaných přínosů je najít nejsilnější urychlovače v naší galaxii. Těm říkáme pevatrony, protože jsou schopny urychlit částice až na pevové energie, více než 1015 elektronvoltů. Ty budeme hledat v naší galaxii, protože gama záření taky nemůže doletět nekonečně daleko, i pro něj je vesmír hodně neprůhledný. Další možností je hledat třeba signatury po temné hmotě. Ta by se měla hromadit okolo nejhmotnější části naší galaxie, tedy v jejím středu, který bude dobře pozorovatelný observatoří SWGO, a při její anihilaci by vznikaly námi pozorovatelné fotony.
Abychom kosmické a gama záření zachytili, stavíme na Zemi detektory až o tisících kilometrech čtverečních. Existuje šance je pozorovat i pomocí kosmických observatoří?
Obecně potřebujeme co největší plochu detektorových polí, abychom nasbírali dostatečné množství dat. Ale existuje návrh pozorovat spršky, které probíhají v naší atmosféře, z oběžné dráhy Země. Je to tak, že by ve stereo módu fungovaly dvě družice. Projekt je nyní ve fázi návrhu a uvidíme, zda se zafinancuje. Jakmile by družice prolétaly nad oblastí, která by nebyla silně světelně znečištěna, třeba nad oceány, mohly by spršky pozorovat díky vzniklé fluorescenci ve vzduchu. Tím bychom mohli získat obrovskou statistiku za relativně krátkou dobu.
Produkují spršky třeba i rádiové signály?
Ano, je to nedávno znovuobjevená metoda. Jednou ze součástí připravovaného upgradu Observatoře Pierra Augera jsou právě rádiové detektory, v podstatě antény na stávajících sudech. Samotná metoda je už s námi poměrně dlouho, nicméně rekonstrukce vlastnosti spršky je poměrně komplexní věc. Rádiový signál už není tak jednoznačný jako v případě izotropního fluorescenčního světla, ale dochází tam k dalším jevům, efekt má i geomagnetické pole.
Proto až nyní, prakticky v posledních, řekněme, deseti letech, tahle detekční technika postoupila na takovou úroveň, že ji můžeme začít experimentálně využívat.
Když zůstaneme na Zemi a u vlivů kosmického záření na naši atmosféru, zajímavé jsou hypotézy, že by kosmické záření ovlivňovalo četnost a intenzitu blesků nebo všeobecně počasí. Můžete o tom říct něco víc?
Zatím se to ještě nepotvrdilo. Jsou ale studie, které se o to snaží. Jde o to, že kosmické záření při průletu atmosférou přenáší náboj. Dochází u toho k různým menším výbojům. Kdyby třeba žádné kosmické záření nebylo, náboj v naší atmosféře by se díky jeho průletům průběžně tak snadno nevybíjel, a v důsledku toho by mohlo docházet k mnohem silnějším výbojům – tedy k méně četným, ale intenzivnějším bleskům.
Kosmické záření může mít vliv i na kondenzaci jader v atmosféře, což ovlivňuje oblačnost. Dále ještě se zkoumá třeba i to, zda můžeme pomocí chování kosmického záření předem odhadnout, jestli dojde k zemětřesení. Když dochází ke pnutí tektonických desek, dochází také ke změně magnetického pole okolo naší planety. A magnetické pole výrazně ovlivňuje průnik kosmického záření, které k nám přilétá. Je to extrémně zajímavé, ale zatím stále neprůkazné.
Kde vidíte do budoucna největší možnosti přelomových objevů v oblasti kosmického záření? Je to poznání zdrojů vysokoenergetického kosmického záření, jeho vliv na Zemi, nebo ještě něco jiného?
Pro nás je záhada číslo jedna a obrovský hnací motor přijít na to, kde tyto částice vznikají. To je zatím hlavní neznámá, ale pátrání po zdrojích nám ztěžuje nejistota, o jaké částice vůbec jde. Až tohle odhalíme, zjistíme snad také, kde mohou vznikat. Na to navazuje otázka, jak vůbec dané částice vznikají. Může jít o dosud neznámé procesy. Zatím jsme stále ve fázi základního výzkumu a může dojít k objevu dějů, které budou mít přínos v dalších odvětvích.
Kromě těchto astrofyzikálních dějů nás ještě hodně zajímá částicová fyzika ve sprškách kosmického záření. Už jsem se zmiňoval o pozorovaném nesouladu mezi daty a modely. Stále je otázkou, jestli tam je třeba nějaká nová fyzika za hranicemi toho, co můžeme zkoumat na urychlovačích. Standardní model velice dobře funguje na data, která zatím máme, ale pořád popisuje jen malou část fázového prostoru možných srážek. Jeden z úkolů, které jsme si stanovili, je přijít na to, jestli zmíněný nesoulad plyne jenom z nejistot měření, anebo jestli opravdu nedokážeme popsat svá data, aniž by se zavedla nějaká nová fyzika. Chceme samozřejmě i predikovat, co by to mohlo být. To je otázka především pro kolegy, kteří se snaží vymyslet modely, jak interakce probíhají.
Co vás vlastně přivedlo k astročásticové fyzice od původního zájmu o astronomii v dětství a posléze od studia jaderné fyziky? Byly hlavním podnětem právě tyto otevřené otázky?
Určitě. Už od mládí jsem měl zájem o astronomii a astrofyziku všeobecně. A když jsem šel na vysokou školu, váhal jsem, jestli jít na astrofyziku, nebo se zajímat víc o nějaké fundamentálnější věci, jako je částicová fyzika. Postupem času vyvstala možnost tohle spojit a studovat astročásticovou fyziku. To už jsem jasně věděl, že právě tohle je to, co chci dělat.
Pokud vás zajímají otevřené otázky současné fyziky, přijďte na panelovou diskusi na Noci vědců již tento pátek 27. října od 17 hodin!
[1] Cherenkov Telescope Array
[2] Southern Wide-field Gamma-ray Observatory