Japonský experimentálny fyzik Masatoši Košiba položil základy neutrínovej astronómie úspešnou detekciou častíc zo Slnka a vzdialenej supernovy.
Masatoši Košiba (1926 – 2020) na snímke z roku 2002. Zdroj: Wikimedia Commons
Pohľad za hranice bežného svetla
Klasické teleskopy skúmajú vesmír pomocou rôznych foriem svetla od viditeľného žiarenia cez rádiové vlny až po röntgenové lúče. Všetky tieto formy žiarenia však poskytujú informácie iba o vonkajších vrstvách hviezd.
Procesy prebiehajúce v ich vnútri odhaľujú napríklad neutrína. Ide o drobné elementárne častice bez elektrického náboja. Práve preto, že nenesú náboj, bežnú hmotu ignorujú a neviažu sa na ňu – vesmírny priestor, celé planéty a dokonca aj ľudské telá prekonávajú bez toho, aby do čohokoľvek narazili.
Keďže takmer vôbec nereagujú s okolím, vedci ich označujú za nepolapiteľné, pretože bežné prístroje ich nedokážu zachytiť. Fyzik Masatoši Košiba dokázal skonštruovať detektor schopný tieto častice napriek tomu zaznamenať a určiť ich pôvod.
Kilometre pod zemským povrchom
Neutrína vznikajú pri termonukleárnych reakciách v hviezdnych jadrách, zániku masívnych hviezd a interakciách kozmického žiarenia v atmosfére. Keďže nemajú elektrický náboj, nepôsobí na ne elektromagnetická sila, ktorá drží pohromade bežné atómy. Reagujú len prostredníctvom gravitácie a takzvanej slabej jadrovej sily, ktorá funguje iba na mikroskopických vzdialenostiach vnútri atómových jadier.
Neutrína majú takmer nulovú hmotnosť a vznikajú s obrovskou energiou. Keďže s okolitou hmotou prakticky nereagujú, vo vesmíre ich takmer nič nebrzdí ani nepohlcuje a pohybujú sa rýchlosťou blízkou rýchlosti svetla. Každú sekundu preletia každým centimetrom štvorcovým našej planéty a každým ľudským telom desiatky miliárd neutrín bez toho, aby v nás zanechali akúkoľvek stopu.
Zaznamenať ich prítomnosť si vyžaduje obrovské objemy detekčného média a izoláciu pred rušivým pozadím kozmického žiarenia. Fyzici preto umiestňujú aparatúry hlboko pod zem.
Záblesky v temnote bane Kamioka
Tím z Tokijskej univerzity pod vedením Masatošiho Košibu vybudoval v podzemnej zinkovej bani detektor Kamiokande. Tvorila ho gigantická nádrž s tisíckami ton ultračistej vody obklopená citlivými fotonásobičmi. Detekcia stála na jave zvanom Čerenkovovo žiarenie – optickom ekvivalente sonického tresku, ktorý vzniká, keď lietadlo prekoná rýchlosť zvuku.
Prevažná väčšina neutrín preletí celou nádržou vody bez povšimnutia. Iba v mimoriadne vzácnom prípade, v priemere raz za miliardy miliárd preletov, nastane priama zrážka neutrína s atómovým jadrom alebo elektrónom. Pri takejto zrážke vznikne rýchla nabitá častica, ktorá sa vodou pohybuje rýchlejšie, než akou rýchlosťou sa v tomto vodnom prostredí šíri samotné svetlo. Pri tomto nadsvetelnom pohybe častica vyžiari slabý kužeľ modrého svetla.
Kamiokande dokázal tento záblesk nielen zaznamenať, ale aj zrekonštruovať smer príletu neutrína. Tento smerový údaj priniesol kľúčové svedectvo. Americký chemik Raymond Davis mladší síce už predtým neutrína zachytil, no jeho experiment nedokázal určiť, odkiaľ prilietajú. Košibov detektor presne ukázal, že častice prichádzajú priamo zo stredu Slnka, čím Davisove pozorovania potvrdil a definitívne dokázal správnosť teórií o slnečných jadrových reakciách.
Signál zo supernovy SN 1987A
Kľúčový moment prišiel 23. februára 1987, keď vo Veľkom Magellanovom mraku explodovala supernova SN 1987A. Išlo o najbližší pozorovaný hviezdny výbuch od začiatku 17. storočia. Detektor Kamiokande zaznamenal počas trinástich sekúnd dvanásť neutrín z celkového počtu približne 10¹⁶ (desať biliárd), ktoré zariadením preleteli. Hoci dvanásť zachytených častíc znie ako nízke číslo, v skutočnosti išlo o mimoriadny signál. V bežnom režime detektor zachytával iba ojedinelé slnečné neutrína v priebehu celých dní; zachytenie dvanástich neutrín z jedného vzdialeného miesta za necelú štvrť minúty predstavovalo obrovský náhly nárast.
Neutrínový signál dorazil k Zemi o niekoľko hodín skôr než viditeľné svetlo. Tento časový rozdiel spôsobila samotná stavba hviezdy. Hviezdny výbuch sa začína hlboko v jej jadre. Pre neutrína je okolitá hmota priehľadná, preto z centra kolapsu okamžite unikli priamo do vesmíru.
Svetlo však cez hustý a nepriehľadný plynný obal hviezdy nedokáže voľne prejsť. Aby sa výbuch prejavil aj vizuálne, musela tlaková rázová vlna z jadra najprv fyzicky preraziť celú obrovskú hmotu hviezdy až na jej povrch. Tento proces trval niekoľko hodín. A až keď rázová vlna roztrhala povrch, supernova zažiarila na nočnej oblohe.
Tieto dáta poskytli prvý priamy dôkaz, že teórie o gravitačnom kolapse hviezdneho jadra a zrode neutrónových hviezd sú správne.
Dedičstvo pre multi-messenger astronómiu
V roku 2002 získal Masatoši Košiba spoločne s Raymondom Davisom mladším polovicu Nobelovej ceny za fyziku za priekopnícky príspevok k astrofyzike a za detekciu kozmických neutrín. Druhú polovicu ceny dostal Riccardo Giacconi za objav kozmických röntgenových zdrojov.
Košibova práca viedla k vybudovaniu ešte väčšieho detektora Super-Kamiokande, ktorý v roku 1998 potvrdil neutrínové oscilácie a dokázal, že neutrína majú nenulovú pokojovú hmotnosť.
Pozorovanie neutrín dnes tvorí základ modernej multi-messenger astronómie (astronómie rôznych poslov). Ide o prístup, pri ktorom vedci tú istú vesmírnu udalosť neskúmajú iba jedným spôsobom, ale kombinujú informácie z viacerých nezávislých signálov, čiže zo svetla, z neutrín a z gravitačných vĺn, teda vlnenia samotného časopriestoru, ktoré vyvolávajú zrážky čiernych dier a neutrónových hviezd. Táto kombinácia umožňuje skúmať najbúrlivejšie procesy vo vesmíre s presnosťou, ktorú samotné svetlo nedokáže poskytnúť.
Zdroje: Nobel Prize, University of Tokyo ICEPP
(KAM)
