Štúdium vysokoenergetických častíc by mohlo podľa astrofyzika Patrika Čechvalu výrazne prispieť k odhaľovaniu nových poznatkov o vesmíre.
Kozmické žiarenie tvorí prúd častíc rozličného pôvodu, ktoré prilietavajú z vesmíru. Pri interakcii so zemskou atmosférou vznikajú sekundárne spŕšky častíc. Zdroj: IceCube Neutrino Observatory
Problematika výskumu kozmického žiarenia naberá v posledných rokoch na intenzite. Zaujímavé objavy aj technologické vylepšenia pozorovacej techniky by mohli viesť k odkrývaniu ďalších, dosiaľ skrytých tajomstiev vesmíru. Jedno z nich tvoria i častice gama žiarenia, pre ktoré sú príznačné vysoké energie.
Gama astronómii, vysokoenergetickým časticiam a ich interakcii s materiálom sa venuje slovenský astrofyzik Patrik Čechvala. Od marca 2024 bol na stáži vo francúzskom Meudone, odkiaľ sa len pred niekoľkými dňami vrátil späť na Slovensko.
Slovenský astrofyzik Patrik Čechvala sa venuje astročasticovej fyzike. Na fotografiách počas prednášky na tému Gama astronómia – ako sledujeme kozmické fotóny s vysokými energiami, február 2024. Foto: Kristína Benkovičová
V rozhovore pre portál VEDA NA DOSAH nám napríklad prezradil, čo všetko zahŕňa astronómia viacerých poslov, odkiaľ sa na našu planétu môžu zatúlať častice s vysokými energiami a prečo staviame teleskopy na ich detegovanie vo vysokých nadmorských výškach.
Zaoberáte sa témami, ktoré spadajú pod takzvanú astročasticovú fyziku. Čo si máme pod týmto pojmom predstaviť?
Astročasticová fyzika je oblasť výskumu v astrofyzike, ktorá tvorí akúsi fúziu s jadrovou fyzikou a využíva jej metódy. Súvisí s tým, čomu vravíme multimessenger astronomy, v preklade astronómia viacerých poslov.
Znamená to, že v súčasnosti zaznamenávame informáciu z vesmíru nielen vo viditeľnej oblasti elektromagnetického spektra, ale aj to, že daná oblasť je omnoho bohatšia. Máme množstvo teleskopov a detektorov, ktoré merajú v rôznych oblastiach spektra, či už sú to rádiové vlny, alebo infračervená oblasť.
Dokážeme zachytiť žiarenie v röntgenovej oblasti alebo ísť aj do vyšších energií, teda až do oblasti gama – do oblasti tých najvyšších energetických fotónov. Nie je to už iba elektromagnetické žiarenie, respektíve fotóny, ktoré prichádzajú do atmosféry, ale zaznamenávame tiež nabité častice, a to protóny a jadrá rôznych prvkov.
Dnes už dokážeme pozorovať i gravitačné vlny, prípadne sme schopní zachytiť neutrína. Máme k dispozícii množstvo rôznych zaujímavých informácií. Dozvedáme sa o nich skúmaním vesmírnych zdrojov spomenutých častíc.
Kedy sme zistili, že k nám z vesmíru preniká nejaké žiarenie alebo k nám prúdia nejaké častice?
Kozmické žiarenie, ktoré tvoria primárne nabité častice, ako sú protóny a jadrá rôznych prvkov, bolo objavené pred viac ako sto rokmi, konkrétne v roku 1912. O viac ako dve desaťročia neskôr, presnejšie v roku 1936, bola za tento objav udelená Nobelova cena za fyziku.
V roku 1936 získal rakúsky fyzik Victor Franz Hess Nobelovu cenu za fyziku. Bolo to konkrétne za objav kozmického žiarenia, ktoré detegoval v roku 1912 počas letu balónom. Zdroj: Wikimedia Commons
Vtedy sa ešte neuvažovalo v intenciách, že by tieto častice mohli vytvárať prechodom cez atmosféru nejaké kaskády alebo spŕšky. Tie objavil v roku 1938 Pierre Auger. No už to naznačovalo, že tu máme nejakú prirodzenú mieru ionizácie, respektíve rádioaktivity. Náboj, ktorý je prítomný v atmosfére a má kozmický pôvod.
Objav kozmického žiarenia v roku 1912 sa pripisuje Victorovi Franzovi Hessovi. Dá sa povedať, že ide o zárodok astročasticovej fyziky.
Hess teda naštartoval záujem o kozmické žiarenie. Ako sa ďalej uberal výskum v tejto oblasti?
Štúdium kozmického žiarenia znamenalo posun v oblasti jadrovej fyziky. Dochádzalo k objavom nových častíc, ako sú mióny, pozitróny, pióny. V dôsledku rozvoja urýchľovačov sa tento výskum na istý čas dostal do úzadia. Keďže urýchľovač je kontrolovaný experiment, znamená to, že si vieme nastaviť podmienky a lepšie študovať rozličné javy.
V posledných desaťročiach začal výskum opäť napredovať. Dôvodom je, že z vesmíru k nám prenikajúce energie sú také obrovské, že ich nevieme dosiahnuť v urýchľovačoch. Ich zdroje a pôvod preto predstavujú veľmi zaujímavú oblasť skúmania.
Časť astročasticovej fyziky tvorí gama astronómia, ktorou sa detailnejšie zaoberáte. Kedy nastal jej najväčší rozmach?
Zaznamenávanie gama žiarenia z vesmíru sa rozvinulo až po rozvoji kozmonautiky. Je to spôsobené tým, že častice gama žiarenia – takzvané fotóny gama – aktívne vychytáva atmosféra, ktorá nás pred nimi chráni.
Rozvoj gama astronómie teda súvisí s vysielaním kozmických sond, ktoré mali citlivé detektory práve v tejto oblasti energií. Gama astronómia sa začala rozvíjať od 60. rokov minulého storočia, rovnako ako jedna z techník na detekciu gama žiarenia, takzvané Čerenkovove ďalekohľady.
Na časticiach prúdiacich z vesmíru k nám sú zaujímavé vysoké energie?
V prípade kozmického žiarenia je jednou zo zaujímavých informácií, ktoré sa dozvedáme, práve ohromne vysoká energia. Nie každý zdroj je ale schopný dotiahnuť častice do takých vysokých energií. Pri tých úplne najvyšších vieme, že ich zdroje s najväčšou pravdepodobnosťou nepochádzajú z našej Galaxie. Zdroje v rámci našej Galaxie dosahujú nižšie energie. Vieme však, že sú aj také častice, ktoré dosahujú energie častíc OMG alebo Amaterasu. To sú energie, ktoré pravdepodobne vznikli v extragalaktických zdrojoch.
Odkiaľ k nám teda prúdia vysokoenergetické častice? Čo všetko môže byť ich zdrojom?
Môžu to byť aktívne galaktické jadrá, čo je pomerne veľká skupina telies. Ďalej to môžu byť galaxie s aktívnou hviezdotvorbou, čo znamená, že v nich vzniká pomerne veľa hviezd. Sú ale poruke aj teórie, ktoré sa dotýkajú hraníc toho, čo rezonuje súčasnou fyzikou – že na týchto časticiach môžeme skúmať teórie o zložení temnej hmoty.
Vo svojej práci sa venujete konkrétne gama žiareniu. Ako sa líši od ostatných typov žiarenia?
Gama žiarenie je typ elektromagnetického žiarenia pri najvyšších energiách. Nepracuje sa tam už s vlnovými dĺžkami, ale hovoríme o fotónoch alebo o energiách, ktoré presahujú rádovo 100 kiloelektrónvoltov. To je zhruba uvažovaná hranica, keď prechádzame z röntgenovej oblasti do oblasti gama. Sú to fotóny s veľmi vysokými energiami.
Ako môžeme vysokoenergetické častice spozorovať alebo zachytiť?
Na pozorovanie gama žiarenia používame buď priame, alebo nepriame techniky. Za priamu techniku považujeme to, keď vyšleme do vesmíru satelit, ktorý detektorom zaznamená gama fotón. Uvedené zariadenia sú ale efektívne iba do určitých limitných energií, lebo tok alebo množstvo častíc so stúpajúcou energiou výrazne klesá. Nevieme preto efektívne naberať dáta na účely štatistiky. Z tohto dôvodu potrebujeme prejsť na pozemné detektory, ktoré môžu mať oveľa väčšie rozmery ako ich vesmírni kolegovia.
Našu planétu každú sekundu zasiahnu milióny častíc kozmického žiarenia. Na snímke je detektor LHCf (The Large Hadron Collider forward), ktorý sa používa na simuláciu kozmického žiarenia v laboratórnych podmienkach. Zdroj: CERN
Pozemné pozorovacie zariadenia majú ale tiež svoje obmedzenia: pozorujú až sekundárne spŕšky častíc, ktoré vznikajú v dôsledku interakcií kozmického žiarenia aj gama žiarenia s atmosférou. Na pozorovanie gama žiarenia musíme ísť do vyšších nadmorských výšok, pretože spŕška nie je taká komplexná, ako keď s časticami atmosféry reagujú jadrá. Čerenkovove ďalekohľady sa napríklad mnohokrát nachádzajú vo výške aj dvoch kilometrov, niektoré dokonca vyššie.
Observatórium Roque de los Muchachos na kanárskom ostrove La Palma je umiestnené približne v nadmorskej výške dva kilometre. Tak vysoko sa stavajú preto, aby sme zachytili kaskádu častíc čo najkomplexnejšie. Na meranie gama žiarenia nie je teda výhodné zakopať sa pod zem. Naopak, s cieľom pozorovania neutrín alebo jadier sa dá uvažovať i o podpovrchových detektoroch.
Ktoré satelity a teleskopy zamerané na sledovanie gama častíc sú najvýkonnejšie?
Na sledovanie astronomických zdrojov gama žiarenia je určená napríklad družica INTEGRAL. V súčasnosti je vlajkovou loďou družica Fermi. Na oblasť, v ktorej končia jej pozorovacie schopnosti, nadväzujú pozemné Čerenkovove ďalekohľady. Vedia sa teda veľmi dobre prekrývať aj dopĺňať. V kozme máme dokonca i slovenskú družicu GRBAlpha. Dokáže zaznamenávať gama záblesky, čím je tiež pomerne zaujímavá. Slovenskí vývojári plánujú aj družicu GRBBeta.
A sledovanie zo Zeme?
V súčasnosti sú na ostrove La Palma najväčšie pozemné detektory MAGIC (Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov Telescopes), v Spojených štátoch je Veritas (Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System) a H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System) sa nachádza v Namíbii.
Teleskop MAGIC (Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov Telescopes). Zdroj: Wikimedia Commons
Vzniká aj observatórium budúcej generácie – Cherenkov Telescope Array Observatory (CTAO) –, ktoré bude pracovať na dvoch miestach. Bude sa nachádzať na La Palme a v púšti Atacama v blízkosti Paranalu. Nedávno pribudlo ďalšie observatórium MACE, ktoré sa nachádza v Indii. Ide o tretí najväčší Čerenkovov ďalekohľad a z tejto kategórie ďalekohľadov ide o najvyššie umiestnený ďalekohľad. Nachádza sa v nadmorskej výške 4200 metrov, takže aj z neho môžu byť pomerne zaujímavé dáta. Ďalšou kategóriou sú pozemné detektory, napríklad HAWC (The High-Altitude Water Cherenkov Observatory) v Mexiku. Ten používa vodné tanky, ktoré sú pod úpätím sopky zhruba vo výške štyroch kilometrov nad morom.
Na južnej pologuli sa bude budovať observatórium SWGO (The Southern Wide-field Gamma-ray Observatory), pretože takýto typ observatória zameraného na gama žiarenie, ktorý by používal vodné tanky alebo pozemné detektory, tu zatiaľ nie je. V súčasnosti sa vyberá vhodná lokalita. Bude sa budovať buď v Argentíne, Čile, alebo v Peru.
Zaujímavú prácu v tejto oblasti vykonáva Čína aj s observatóriom LHAASO (The Large High Altitude Air Shower Observatory), ktoré využíva hybridné techniky. Nájdeme tu Čerenkovove ďalekohľady i pozemné detektory. Z tohto observatória sa dozvedáme nové informácie práve vďaka hybridnému spôsobu detekcie, pretože sa dokážu vzájomne skvele dopĺňať. Napríklad by bolo zaujímavé doplniť observatórium SWGO na južnej pologuli práve o Čerenkovove ďalekohľady, ktoré by boli schopné dopĺňať pozemné detektory.
Aké zaujímavé informácie alebo dáta v tejto oblasti sú v súčasnosti k dispozícii?
Budúce observatórium Cherenkov Telescope Array má postavený prvý ďalekohľad, ktorý sa nachádza na ostrove La Palma. Priemer primárneho zrkadla má 23 metrov a volá sa Large Size Telescope (LST). Už máme z neho aj prvé vedecké dáta. S veľmi dobrou presnosťou napríklad odpozoroval Krabiu hmlovinu.
Grafické znázornenie dizajnu budúcej siete Čerenkovových ďalekohľadov – Cherenkov Telescopes Array. Zdroj: Wikipedia
Tesne pred Vianocami 2023 (15. decembra 2023) kolegovia zverejnili zaujímavú informáciu, že spozorovali kvazar, doteraz najvzdialenejšie aktívne galaktické jadro pozorované pri tých najvyšších energiách gama žiarenia, čo je viac ako 100 gigaelektrónvoltov (GeV), zo vzdialenosti približne osem miliárd svetelných rokov. Išlo teda o pekný úspech.
Podarilo sa nám okrem častíc OMG a Amaterasu zachytiť aj iné pozoruhodné častice?
Treba rozlišovať gama a kozmické žiarenie. Pri gama žiarení sú to takzvané pevatróny, ktoré odpozorovalo observatórium LHAASO a je možné ich pripísať dvanástim rôznym doposiaľ bližšie neurčeným zdrojom. Kozmické častice – teda protóny a jadrá – ale vedia ísť do vyšších energií, až 1020 elektrónvoltov a vyššie. Častica Amaterasu, ktorá nedávno zarezonovala médiami, má odhadovanú energiu okolo 240 exaelektrónvoltov (1 EeV = 1018 eV), t. j. 240 x 1018 elektrónvoltov. Častica OMG mala viac ako 300 exaelektrónvoltov.
Dokážeme ako ľudstvo vyvinúť v našich zariadeniach vysoké energie?
V súčasnosti pracuje Veľký hadrónový urýchľovač v CERN-e s energiami, ktoré dosahujú okolo 14 teraelektrónvoltov (TeV). Menší posun by sa ešte dal dosiahnuť v novom cyklotróne. Existujú už návrhy na jeho vybudovanie pod Ženevou. Išlo by o ešte väčší okruh, do ktorého by Veľký hadrónový urýchľovač mohol vstrekovať častice.
Z hľadiska porovnania informácií, ktoré sa k nám dostávajú z pozorovaných spŕšok a z nového urýchľovača, by to bolo zaujímavé. Ak by sme sa chceli dopracovať k energiám 1020 elektrónvoltov, bolo by to na dlhé lakte, ale preto je to zaujímavé študovať. Jedným z vysvetlení môže byť smiešna hypotéza, že zelení mužíkovia majú efektívnejšie urýchľovače a v rámci experimentu sa im to niekde zatúla a potom doletia tie častice až k nám.
Aké sú najväčšie výzvy alebo prázdne miesta, ktoré by táto oblasť fyziky potrebovala doplniť či vyriešiť?
Sami vopred nevieme predikovať, čo sa nám podarí napríklad s vylepšenými zariadeniami objaviť a spozorovať. Spravidla je to však tak, že ak desaťnásobne posunieme citlivosť prístrojov, urobíme veľké množstvo objavov, o ktorých sme netušili.
Čo sa týka prázdnych miest, sú tu isté disproporcie a nezrovnalosti medzi tým, koľko miónov v spŕškach sa pozoruje reálne, a koľko nám dávajú rôzne modely, čo je v súčasnosti predmetom výskumu. Ide o sekundárne spŕšky, ktoré vznikajú pri interakcii protónov a jadier s atmosférou. Zaujímavú oblasť výskumu tvoria aj naďalej gama záblesky. Výzvou je detailnejšie preskúmať, z akých zdrojov pochádzajú.
(zh)
