Co je kosmické záření a jak vznikají částicové spršky?
Kosmické záření tvoří především rychlé protony a další atomová jádra, ale také elektrony a jiné částice. Po zásahu zemské atmosféry může jediná vysokoenergetická částice vyvolat sled reakcí, při nichž vzniká množství druhotných částic. Rozsáhlé pozemní observatoře měří právě tuto spršku a z ní odvozují vlastnosti původního příletu.
© / kredit: Kosmologické novinky · Zdroj · · CC BY 4.0 · Úpravy: vlastní vysvětlující schéma.
Co k nám z kosmu přilétá
Velkou část kosmického záření tvoří protony, tedy jádra vodíku, a jádra hélia i těžších prvků. Najdeme v něm také elektrony a v menších počtech jejich antičástice. Tradiční slovo záření zde tedy označuje hlavně proud částic hmoty.
Nabité částice mohou získávat energii v prostředí výbuchů hvězd a dalších kosmických zdrojů. Částice nižších energií přicházejí také ze Slunce. U těch vůbec nejenergetičtějších zůstávají konkrétní zdroje a způsob urychlení předmětem výzkumu. Jejich složení pomáhá zkoumat, jaká látka se ve zdrojích nachází a jaké procesy tam probíhají.
Jak z jedné částice vznikne sprška
Přilétající proton nebo jádro se může vysoko v atmosféře srazit s jádrem atomu vzduchu. Vzniknou další energetické částice, které reagují nebo se rozpadají a vytvářejí další generace. Původní energie se tak postupně rozděluje mezi stále více částic.
Část spršky tvoří elektrony, pozitrony a fotony, další část zahrnuje částice působící silnou interakcí. Rozpady nabitých pionů vytvářejí mimo jiné miony a neutrina. Mnoho částic se pohltí nebo rozpadne během letu; některé miony a další produkty dosáhnou až k povrchu. Úvodní schéma ukazuje větvení tohoto procesu, nikoli všechny jednotlivé reakce.
Co zachytíme na zemi a co vysoko ve vzduchu
Observatoř Pierra Augera v argentinské provincii Mendoza kombinuje různé způsoby měření rozsáhlých spršek. Povrchové detektory zaznamenávají průchody částic v jednotlivých místech. Z jejich časů příchodu a rozložení signálů se odhaduje směr a energie původní částice.
Fluorescenční dalekohledy navíc sledují slabé ultrafialové světlo, které vydává vzduch vybuzený průletem spršky. Tím lze sledovat její vývoj v atmosféře. Čím více nezávislých údajů máme, tím lépe lze prověřit rekonstrukci. Kalibrace zahrnuje také průhlednost a proměnlivé vlastnosti atmosféry.
Jak poznáme energii a druh původní částice
Větší energie obvykle znamená mohutnější spršku, ale samotný počet zásahů není úplné měření. Výsledek závisí také na vzdálenosti od její osy a na tom, jak hluboko v atmosféře se rozvinula. Proto se vyhodnocuje více vlastností společně.
Průměrná hloubka největšího rozvoje i zastoupení mionů se liší pro lehká a těžká jádra. Z těchto ukazatelů lze statisticky usuzovat na složení kosmického záření. Jednotlivé spršky se ale přirozeně liší a potřebujeme modely vysokoenergetických jaderných reakcí. Právě k jejich ověřování přispívají také urychlovačové experimenty s terčem.
Proč určený směr nemusí ukazovat přímo na zdroj
Rekonstrukce určí směr, ze kterého částice dorazila k Zemi. Během cesty se však nabitá částice odchyluje v kosmických magnetických polích. Její poslední směr proto nemusí být přímou spojnicí s místem vzniku. Velikost odchýlení závisí mimo jiné na energii a náboji.
Vědci porovnávají velké soubory směrů s rozložením možných zdrojů a kombinují částicová data s fotony i kosmickými neutriny. Tyto různé informace pomáhají sestavit obraz dějů, při nichž vznikají nejenergetičtější částice vesmíru.
Zdroje a další čtení
Proč je to zajímavé právě pro vás?
Vesmír nám poskytuje přirozené zdroje velmi energetických částic. Atmosféra převádí jejich vzácné přílety na měřitelná množství druhotných částic. Zkoumáním spršek se učíme o kosmických zdrojích i o reakcích, které se obtížně studují v laboratoři.
Našli jste chybu nebo nepřesnost? Napište redakci. (redakce@kosmonovinky.cz)