Výskumom kozmického žiarenia extrémnych energií s využitím pozorovaní sekundárnych odoziev v atmosfére Zeme z paluby Medzinárodnej vesmírnej stanice ISS sa zaoberá projekt JEM-EUSO, Kozmické Observatórium Extrémneho Vesmíru na palube Japonského Experimentálneho Modulu (JEM-EUSO, Extreme Universe Space Observatory Onboard Japan Experiment Module). Jeho realizačná fáza siaha do obdobia: 1. 1. 2010 – 31. 12. 2018.
RNDr. Pavol Bobík, PhD. z Ústavu experimentálnej fyziky SAV vysvetľuje, o čo pri tomto projekte ide, aké sú jeho ciele a aj očakávané výsledky.
Už viac ako pol storočia rieši astrofyzika otázku pôvodu kozmického žiarenia ultra vysokých energií. Ide o elementárne častice s energiou v rádoch Joulov, čo je pre objekty z mikrosveta extrémne vysoká energia. „Dôvodom, prečo je táto otázka stále nevyriešená, je mimoriadna zriedkavosť ich výskytu. Jedna častica ultra vysokej energie dopadne na kilometer štvorcový raz za niekoľko stoviek rokov. Šanca, že častica kozmického žiarenia s ultra vysokou energiou (UHECR častica) priamo zasiahne detektor častíc, je úplne mizivá. Priamo by sme UHECR častice zaregistrovať nedokázali.“
Po troch rokoch meraní, v roku 1962, John Linsley zaregistroval na stanici Volcano ranch prvú UHECR časticu sieťou 19 detektorov na ploche približne 10 kilometrov štvorcových. Počet častíc v spŕške odhadol na 50 miliárd a energiu primárnej častice, ktorá spŕšku vyvolala, na 10^20 eV (16 Joulov). Pre sieť detektorov stanice Volcano ranch išlo o veľmi zriedkavý jav. Na zachytenie väčšieho množstva častíc je potrebné zväčšiť plochu, na ktorej sa spŕšky registrujú. V nasledujúcich desaťročiach siete týchto detektorov rástli do obrovských rozmerov. V súčasnosti je najväčšou sieť observatória Pierra Augera (PAO) s 1 600 detektormi na ploche 3000 km^2. V posledných rokoch registruje približne dve – tri desiatky UHECR častíc ročne. Ukazuje sa, že tento počet je stále nedostatočný na nájdenie zdrojov UHECR častíc. PAO je v prevádzke od roku 2005 a zdroje UHECR zatiaľ neidentifikovalo. Pozemné detektory s plochou tisícok kilometrov štvorcových už dosahujú limity svojich možností.
Zmenu paradigmy v pozorovaní UHECR častíc prináša koncept ich pozorovania z vesmíru. Z orbity Zeme je vhodným detektorom možné pozorovať väčšiu plochu atmosféry než dokážu pozemné siete. Observatórium extrémneho vesmíru (EUSO) je navrhnuté tak, aby dokázalo identifikovať zdroje UHECR žiarenia. Z nízkej orbity Zeme (400 km) pri pohľade priamo nadol, v takzvanom nadir móde, uvidí plochu približne 140 tisíc kilometrov štvorcových. EUSO detektor je rýchla širokouhlá UV kamera s rozlíšením 300 tisíc pixelov, snímkujúca atmosféru z orbity rýchlosťou 400 tisíc snímok za sekundu. Pozoruje atmosféru pod sebou vo vlnových dĺžkach v rozsahu 290 – 430 nm. V tejto oblasti svetelného spektra leží väčšina emisných čiar fotónov vznikajúcich pri šírení sa spŕšky atmosférou.
Hlavným cieľom JEM-EUSO misie je podľa RNDr. Pavla Bobíka, PhD. identifikácia zdrojov kozmického žiarenia ultra vysokých energií. Medzi ďalšie hlavné ciele patrí pozorovanie neutrín ultra vysokých energií, Gamma žiarenia ultravysokých energií a získanie ďalších informácií o galaktických a mimogalaktických magnetických poliach. „Očakáva sa, že misia prinesie pozorovanie niekoľkých stoviek až tisícky UHECR častíc, čo je už dostatočný počet na identifikáciu ich zdrojov,“ dopĺňa odborník.
Pokračuje, že v rámci prípravy hlavného experimentu pracuje JEM-EUSO kolaborácia na sérii prípravných takzvaných prekurzor experimentov. Ich cieľom je preverenie konceptu pozorovania a technológií pre hlavný experiment. RNDr. Pavol Bobík, PhD. z Ústavu experimentálnej fyziky SAV priblížil, že prvým z týchto experimentov bol EUSO balón v roku 2014. Bol realizovaný v rámci balónového programu francúzskej vesmírnej agentúry CNES. EUSO balón absolvoval 24. – 25. augusta 2014 celonočný let vo výške ~38 km so štartom zo Stratospheric Balloon Base v kanadskom Timminse. Úspešný let otestoval zmenšenú verziu detektora so šošovkami s plochou 1 m2 pozorujúcu oblasť s plochou 50 km2. V rámci kalibračných meraní v zornom poli balónu prelietal vrtuľník s laserovým a svetelným zdrojom.
Druhým prekurzor experimentom je podľa odborníka pozemný TA-EUSO detektor umiestnený pri sieti detektorov Telescope Array (TA) v Utahu. TA-EUSO detektor začal svoje merania na jar 2015. Ďalej RNDr. Pavol Bobík, PhD. vysvetľuje, že tretím prekurzor experimentom bol EUSO-SPB balón, v apríli 2017, ktorý sa realizoval v rámci programu letov superpressure balónov (SPB) vesmírnej agentúry NASA. EUSO-SPB balón odštartoval z novozélandskej Wanaky. Let mal trvať približne 50 dní, no balón z neznámych príčin padol po 12 dňoch letu. V súčasnosti ešte prebieha vyhodnocovanie výsledkov získaných počas tohto letu. Náhradný let EUSO-SPB 2 by mal prebehnúť v roku 2022.
Ďalším prekurzor experimentom, ktorý bude pozorovať atmosféru z rovnakého miesta ako hlavný detektor, z Medzinárodnej vesmírnej stanice ISS je MINI-EUSO detektor. MINI-EUSO je experimentom ruskej vesmírnej agentúry Roskosmos a talianskej ASI-INFN. Ide o zmenšenú, 30 kilogramovú verziu detektora, ktorá bude umiestnená v obytnej časti ISS. Pozorovať atmosféru bude cez jedno z UV priepustných okien stanice. Štart MINI-EUSO misie je naplánovaný na začiatok roka 2019.
„Hlavným cieľom MINI-EUSO misie je vytvorenie mapy Zeme v UV oblasti. Najmä vďaka airglow zložke je táto mapa dynamická v čase a priestore. Intenzita pozorovaného UV svetla závisí od geografickej polohy a času. Mení sa počas nocí, sezón aj so solárnym cyklom. Je ovplyvňovaná aj stupňom narušenia zemskej magnetosféry.“
Slovenská JEM-EUSO skupina pracuje podľa RNDr. Pavla Bobíka, PhD. z Ústavu experimentálnej fyziky SAV aj na vlastnej sieti pozemných detektorov na pozorovanie UV pozadia na nočnej strane Zeme. „Táto sieť jednopixelových detektorov poskytne dlhodobé merania UV pozadia umožňujúce potvrdenie a ďalší vývoj fyzikálneho modelu UV pozadia. V súčasnosti už dvojica staníc tejto siete – jedna v Mexiku a druhá na Kanárskych ostrovoch meria súvislo jeden rok. Ďalšie dve stanice siete už merajú a inštalácia ďalších prebehne v nasledujúcich rokoch,“ hovorí RNDr. Pavol Bobík, PhD.
JEM-EUSO kolaborácia sa skladá zo 16 krajín. Slovensko je jej členom od roku 2008, keď do kolaborácie vstúpil Ústav experimentálnej fyziky SAV v Košiciach. V roku 2015 tak urobila aj Technická Univerzita v Košiciach. Slovenská skupina sa v JEM-EUSO experimente zaoberá hlavne odhadom takzvaného ultrafialového pozadia a metódami rozpoznávania spŕšok v meraniach EUSO detektorov, podotkol odborník z Ústavu experimentálnej fyziky SAV.
Aký je teda hlavný prínos tohto projektu pre prax, čo prinesie verejnosti? Hlbšie poznanie prírody, približuje RNDr. Pavol Bobík, PhD. „Tak to býva pri projektoch základného výskumu, ktoré dláždia cestu pre neskoršie aplikácie, ktoré nájdeme v každodennom živote.“
Odborný garant textu: RNDr. Pavol Bobík, PhD., Ústav experimentálnej fyziky SAV
Spracovala: Slávka Cigáňová (Habrmanová), NCP VaT pri CVTI SR
Zdroj foto: http://www.jem-euso.sk/
Uverejnila: VČ