Observatoř Pierra Augera

2 Bře

Dosavadní detektory kosmického záření zejména v Japonsku a USA zaregistrovaly v posledních 30 letech údaje o několika desítkách částic kosmického záření s energiemi nad 1019 elektronvoltů. Rekordní hodnota činila dokonce 3,2×1020 eV. Částice byla zachycena detektorem „Muší oko“ v Utahu v USA 15. října 1991. O tomto záření se ví pouze to, že existuje, ale neví se, odkud přichází, co je jeho podstatou, jak vzniká a kam až vlastně sahá škála jeho energií. Proto vědci potřebují těchto vysoce energetických částic zaregistrovat daleko více, aby výsledky byly statisticky vypovídající a aby se případně podařilo tuto astrofyzikální záhadu rozluštit. A tak budou tyto částice „chytat“ na ploše 3000 km2 v nádherném přírodním prostředí mezi Andami a argentinskou pampou podle předpokladu po dobu dvaceti let ve dne v noci. Neobsahuje fyzika přece jen řádný kus poezie?

V roce 1912 objevil Viktor Hess pomocí ionizační komory umístěné ve výškovém balonu, že zemský povrch je nepřetržitě bombardován proudem nabitých částic. Jsou to částice s velmi širokým spektrem energií od 109 eV (1 GeV) do 1020 eV a výjimečně i vyšší. O částicích s nižšími energiemi je známo, že jsou urychlovány dynamickými magnetickými poli, jako je magnetické pole Slunce, pole ve slunečním větru nebo pole vznikající při výbuších supernov v naší Mléčné dráze. Udělují kosmickým paprskům zrychlení, které je teoreticky vysvětlitelné. Převážná většina kosmického záření je tvořena protony (jádra molekuly vodíku). I když část nízkoenergetického kosmického záření obsahuje také těžší jádra, jsou v této části energetického spektra zastoupena převážně jádra lehkých prvků (lithium, beryllium, bór). Měření prováděná mimo zemskou atmosféru ukázala, že s rostoucí energií kosmického záření roste podíl těžkých jader. Procento lehkých jader v záření s nižšími energiemi je nicméně daleko vyšší, než se očekávalo. Možné vysvětlení spočívá v tom, že kosmické záření procházející mezihvězdným prostorem může náhodně narazit na řídké mračno plynu. Zasažený atom (což může být např. křemík nebo jiný těžší prvek) vytvoří sekundární částice – lehká jádra. Zastoupení jader různých prvků v kosmickém záření může rozšířit dosavadní znalosti o složení vesmíru – kromě toho známe-li hustotu atomů v mezihvězdném prostoru, můžeme odhadnout, z jaké dálky kosmické záření přichází. Pro záření s nižšími energiemi vychází tento odhad na několik milionů světelných let. V kombinaci s údaji o gama záření ze satelitních laboratoří se dá odvodit, kde nízkoenergetické kosmické záření pravděpodobně vzniká. Předpokládá se, že gama paprsky jsou produkovány interakcí kosmického záření s intergalaktickým plynem v naší galaxii, což je Mléčná dráha. Údaje ze satelitů indikují klesající intenzitu gama záření s rostoucí vzdáleností od centra galaxie, lze tedy celkem oprávněně předpokládat, že nízkoenergetické kosmické záření vzniká pravděpodobně v centrální části Mléčné dráhy. Původ a povaha kosmického záření o vysokých energiích nad 1018 eV však zůstává „astrofyzikální záhadou století“.

Částice s vyššími energiemi, zvláště pak nad 1014 eV, se pozorují velmi obtížně. Zatímco částic o energii 1 GeV dopadá na zemský povrch 10 000/m2 za sekundu, částice s energií 1012 eV dopadá jedna na metr čtvereční za minutu, počet částic s energií 1016 eV dopadá jen několik na metr čtvereční za rok a zvláště zajímavé částice s energií nad 1020 eV jsou dokonce tak vzácné, že dopadá v průměru jedna na kilometr čtvereční za celé století. Je tedy třeba přestěhovat se s pozorováním těchto extrémně energetických částic ze satelitů a výškových balonů na zemský povrch. Naštěstí v roce 1938 francouzský fyzik Pierre Auger při pozorování na vrcholu hory Jungfraujoch v Alpách odhalil existenci spršek sekundárního kosmického záření a odtud dokázal odvodit velmi vysoké energie primárního kosmického záření, které tyto spršky vyvolává.

O

bservatoř Pierra Augera

„Pierre Auger Observatory“ je dlouhodobým astrofyzikálním projektem, který se řadí k největším a nejvýznamnějším současným projektům základního výzkumu. Duchovními otci výzkumu kosmického záření o ultravysokých energiích jsou americký fyzik, nositel Nobelovy ceny Jim Cronin a britský fyzik Alan Watson. Základní myšlenku vybudovat hybridní laboratoř, která by pomohla rozluštit tuto hádanku, zformulovali již v roce 1991. Finance do začátku našli nakonec až u zakladatele firmy Motorola. Pak se mohlo začít organizovat a pracovat naostro. A tak v odlehlé pustině argentinských And ve výšce 1400 m n. m. v provincii Mendoza vyrůstá nové „okno do vesmíru“. Soustava detektorů již začíná poskytovat údaje, které by konečně mohly vysvětlit záhadu vzniku kosmických paprsků s velmi vysokými energiemi (nejvýkonnější urychlovače na zemi dokážou produkovat částice o energii nejvýše 1013 eV). Tito poslové z vesmíru by nám mohli přinést velmi poučný příběh o svém vzniku. K rozluštění jejich poselství soustředila Augerova observatoř obrovský experimentální potenciál a to jak detekční, tak i vyhodnocovací. Kompletní observatoř má být uvedena do provozu v roce 2005. Bude zabírat plochu 3000 km2, aby dokázala zachytit statisticky dostatečný počet částic a buduje se nákladem zhruba 50 milionů dolarů. Předpokládá se, že data bude shromažďovat řádově dvacet let. Kromě observatoře v Argentině je plánováno podobné zařízení na severní polokouli. To umožní prakticky rovnoměrnou expozici celé nebeské sféry a zároveň zjištění, přicházejí-li kosmické paprsky z diskrétních zdrojů nebo je-li jejich směr izotropní. Detekci spršek kosmického záření budou v tomto hybridním zařízení zajišťovat dva typy zařízení. Soustava povrchových detektorů bude zaznamenávat průlet částic nádržemi s vodou pomocí Čerenkovova záření. Nezávislá soustava optických teleskopů pak bude vybavena citlivými detektory kratičkých záblesků fluorescenčního záření.

Povrchové detektory

Observatoř bude v konečné podobě obsahovat 1600 povrchových detektorů. Každý z nich je tvořen nádrží o objemu 3000 galonů naplněnou 12 tunami destilované vody. Jednotlivé detektory tvoří pravidelnou mříž, vzdálenost mezi nimi je 1,5 km a pokrývají plochu 3000 km2. Každá stanice tvoří samostatnou jednotku, je napájena slunečními články a pracuje bez obsluhy. Při průchodu sledované částice vzniká Čerenkovovo záření, které představuje kolektivní reakci atomů média na elektrické pole pohybující se nabité částice, pokud tato částice dosáhne v daném prostředí rychlosti větší, než je rychlost světla ve stejném prostředí (rychlost světla ve vodě tvoří 70 % rychlosti ve vakuu). Záření se šíří ve formě kužele podél dráhy částice. Pro názornost – jedná se o elektromagnetický ekvivalent zvukového třesku, který slyšíme, když rychlost letadla přesáhne rychlost zvuku. Rozsáhlá sprška způsobená primární částicí s velkou energií vytvoří pozorovatelnou odezvu např. v pěti nebo více detektorech. Sprška, která je iniciována částicí o energii 1020 eV, může při dopadu zasáhnout plochu až 16 km2. Množství světla vzniklého v detektoru se detekuje fotonásobiči. Lokální počítač vyšle zprávu do centra, které rozhodne, zda je částice součástí větší spršky. Centrální počítač zaregistruje a porovná údaje o počtu a přesném času dopadu na jednotlivých detektorech. Z toho určí směr dopadu a energii původní kosmické částice, která způsobila spršku. Předpokládá se, že ročně bude zaregistrováno přibližně 30 částic s energií větší než 1020 eV a velké množství částic s energií nižší.

Optické teleskopy

Optické teleskopy jsou vybaveny citlivými detektory fluorescenčního záření. Jedná se o světlo vyzařované molekulami, které byly excitovány sprškou kosmického záření. Např. molekuly dusíku vyzařují relativně intenzivní ultrafialové záření, které je možno pozorovat za tmavých, bezměsíčných nocí. Teleskopy představují obří Schmidtovu komoru, činná plocha hlavního zrcadla má čtvercový průřez 3,6 × 3,6 m. Po zkušenostech s prototypem bylo rozhodnuto použít čtyři skupiny teleskopů po obvodu observatoře, každá bude mít zorný úhel 180°. Teleskopy jsou schopny zaznamenávat kaskádový rozvoj Augerovy spršky. Měří celkový jas emitovaného světla, z něhož je možno usuzovat na energii primární kosmické částice. Tvar a směr světelné stopy na obloze indikuje směr primární částice a druh částice, který mohl spršku způsobit. Fluorescenční detektory mohou měřit vlastnosti spršek kosmického záření podrobněji než soustava povrchových detektorů, jejich nevýhodou ale je, že mohou měřit pouze za tmavých nocí. Soustava povrchových detektorů je v činnosti neustále a zachycuje přibližně desetkrát více případů. Oba druhy detektorů tvoří dohromady účinný nástroj pro zkoumání nejvzácněji se vyskytujících, nejzajímavějších a nejzáhadnějších vysokoenergetických kosmických paprsků.

Současný stav projektu a první výsledky

Od roku 1999 se budoval prototyp tohoto hybridního detektoru sestávající ze 40 povrchových detektorů (celkový počet 1600 v r. 2005) a ze dvou teleskopů fluorescenčního záření (z plánovaných 24). V roce 1999 byl nainstalován první Čerenkovovův detektor, v květnu 2001 pak poslední ze 40 povrchových detektorů prototypu, současně začaly pracovat oba fluorescenční teleskopy. 23. května 2001 byl projekt korunován prvním důležitým úspěchem, detekcí první spršky kosmického záření fluorescenčním detektorem. Počátkem srpna 2001 zaznamenala první spršku i síť povrchových detektorů. Od prosince 2001 probíhala pokusná detekce tzv. hybridních případů, což je zachycení jedné spršky zároveň oběma typy detektorů. Do konce února se podařilo zaznamenat více než 60 takových spršek. Svědčí to nejen o kvalitním vybudování celého prototypu, ale i o správnosti a funkčnosti základní myšlenky. Výhoda hybridního konceptu spočívá mj. v možnosti vzájemné kalibrace dat změřených oběma typy detektorů. U prvního zjištěného „zlatého případu“ (zaregistrování částice s energií v oboru 1019 eV a výše) byly všechny vypočtené parametry ve výborné shodě, i když se jedná pouze o prototyp a nikoli finální zařízení. „Zlatý případ“ musí být zaznamenán zároveň minimálně čtyřmi povrchovými detektory a fluorescenčním detektorem. Zatím došlo ke dvěma vzácným případům. Jedna zjištěná sprška zasáhla 11 povrchových detektorů současně. Počátkem ledna byla zaznamenána unikátní horizontální sprška (odklon asi 83 stupňů od zenitu), kde se jednalo odhadem o energii v řádu 1019 eV a mohla být následkem srážky vzácného vysokoenergetického neutrina s atmosférou. Činnost prototypu byla ukončena na podzim roku 2002. Zařízení bylo rozebráno, část byla věnována Muzeu vědy v Mendoze, což je zařízení, kde si např. školní mládež může přímo „zahrát na vědce“. Poznatky z prototypu byly pečlivě zhodnoceny. Kromě jiného se např. ukázalo, že je nutná důkladná „kapotáž“ zařízení, protože argentinské krávy si velmi oblíbily kabely vedoucí od slunečních článků a používaly je jako drbátka. Prakticky se také prověřilo, že zrcadla teleskopu jsou při dopadu světla tak mocným zdrojem energie, že musí být ve dne chráněna důkladným zastíněním. Když náhodou jeden horlivý student zástěnu ve dne otevřel, kamera a zařízení kolem začalo okamžitě hořet. V současné době se začíná sestavovat definitivní zařízení. Letos bude rozestavěno 100 povrchových detektorů a dva fluorescenční teleskopy, každý složený ze šesti Schmidtových komor. Jeden z nich, vybavený českými zrcadly, bude stát na pahorku Coihueco, druhý, s německými zrcadly, na pahorku Los Leones. Vzhledem k charakteru observatoře je možno uvádět ji do provozu postupně, takže i když termín definitivního dokončení je rok 2005 (2006), je možno očekávat vědecké výsledky poměrně brzy.

Účast českých vědců

Na projektu se podílí asi 300 fyziků z Argentiny, Arménie, Austrálie, Brazílie, Bolívie, Francie, Itálie, Mexika, Německa, Polska, Slovinska, Španělska, Velké Británie, Vietnamu a Spojených států. Z České republiky se projektu zúčastní pět vědeckých pracovníků a jedenáct techniků z Fyzikálního ústavu AV ČR Praha a ze Spojené laboratoře optiky Univerzity Palackého a FZÚ AV ČR z Olomouce. Mezinárodní spolupráce na projektu začala v roce 1995, Česká republika se neoficiálně zapojila v r. 1997 a řádným členem je od roku 1999. Naše účast je podporována Grantovou agenturou AV ČR a dalšími granty Ministerstva školství, mládeže a tělovýchovy. Všichni řádní členové musí přispívat podle svých možností jak finančně, tak vývojem a konstrukcí přístrojů, elektroniky a vývojem software pro záznam a zpracování velkého objemu dat. Významným českým příspěvkem je výroba unikátních zrcadel pro teleskopy, kterou zajišťuje na vysoké úrovni pracoviště v Olomouci. Optika má totiž na Hané dlouhou tradici a vynikající světovou úroveň. Na Palackého univerzitě pracuje skupina profesora Peřiny, která patří v teoretické optice ke světové špičce a zkušenosti z výroby unikátních optických výrobků v Meoptě Přerov také naštěstí neupadly v zapomnění. A tak není divu, že česká zrcadla, která tvoří srdce každého z teleskopů, zvítězila v tvrdé mezinárodní konkurenci a spolu s německými byla vybrána k realizaci projektu. Celá observatoř bude mít 24 teleskopů, z nichž 12 bude vybaveno českými zrcadly. Sběrná plocha bude tvořena mozaikou 64 šestiúhelníkových zrcadel čtyř typů u české varianty a 36 čtvercovými zrcadly u varianty německé. Výroba zrcadel probíhá ve Společné laboratoři optiky Fyzikálního ústavu AV ČR a Univerzity Palackého v Olomouci. Česko-německý prototyp byl doplněn italskou soustavou fotonásobičů s vyhodnocovacím systémem a speciální korekční mezikruhovou deskou o průměru 2,8 m, která vychází z principu Schmidtovy korekční desky. Jejím smyslem je zvětšení relativního otvoru detektoru. I na jejím návrhu se čeští vědci podíleli. Detektor snímá optický signál v intervalu vlnových délek přibližně 300 – 400 nm. Česká skupina se podílí i na teoretických pracích a na vývoji analytického a interpretačního software. Z reakcí hodnotitelských komisí celého projektu jednoznačně vyplývá, že český příspěvek k projektu je nadprůměrný. Česká republika se podle slov Jiřího Grygara výkonem, dodržováním specifikací a termínů dodávek, placením členského příspěvku a dalšími aktivitami zařadila k hlavním tahounům celého projektu, kterými jsou USA, Německo, Velká Británie a Itálie. Oficiálně byl tento fakt potvrzen mj. zvolením Dr. Jana Řídkého z Fyzikálního ústavu AV ČR do „Collaboration Board“, což je jeden z vrcholných řídicích orgánů. Účast na projektu nepředstavuje pro Českou republiku jenom závazek, nýbrž i obrovský přínos z hlediska vědeckého, ekonomického i z hlediska mezinárodní prestiže. O pokračování výstavby definitivní verze observatoře, o vědeckých výsledcích a o podílu českých vědců na nich vás budeme informovat. Seznámíme vás i se špičkovou technologií používanou k výrobě zrcadel.

České hlavy se opět vyznamenaly a zasadily další ránu malověrným pochybovačům o smyslu české vědy. Moc bychom si přáli, aby nám Jiří Grygar znovu otevřel „Okno do vesmíru dokořán“.

Děkuji RNDr. Jiřímu Grygarovi, CSc., a RNDr. Janu Řídkému, CSc., za poskytnutí materiálů pro tento článek a za odbornou korekturu.

Autor: RNDr. Jana Štrajblová

Leave a Reply