Kosmickému záření na nejvyšších energiích dominují těžké kovy

Mezinárodní tým vedený Jakubem Víchou z Fyzikálního ústavu AV ČR navrhl revoluční „heavymetalový“ scénář, který může změnit pohled na složení nejenergetičtějších částic přilétajících z kosmu. Teorie, kterou fyzik vystavěl společně se svým týmem na základě analýzy unikátních dat Observatoře Pierra Augera, pomůže přispět k odpovědi na otázku, z čeho se tyto částice skládají a kde vznikají. Zásadní roli může hrát železo.

Kosmické záření jsou nabité částice přilétající z vesmíru. Většina těchto částic jsou nízko až středně energetické částice, které pocházejí ze Slunce a jiných objektů v naší Galaxii. Částice nejvyšších energií jsou ovšem velmi vzácné, pozorují se například obří Observatoří Pierra Augera v Argentině, a otázka, jak a kde mohou vznikat, zůstává jednou z největších záhad fyziky. Tyto částice dosahují energií i více než milionkrát vyšších než lze vytvořit na největším urychlovači LHC v CERNu. Odhalují tak i limity fyzikálního poznání ohledně interakcí částic.

O složení nejenergetičtějších částic vědci usuzují nepřímo – z měření tzv. spršek kosmického záření, které vznikají kaskádovitě po interakci těchto částic s jádry v atmosféře. Jakub Vícha si všiml, že tyto spršky pronikají hlouběji do atmosféry, než by podle současných modelů měly. To naznačuje, že modely interakcí částic ve spršce, označované jako hadronické, nejsou dost přesné. 

„Pokud předpovědi modelů ohledně pronikavosti spršek upravíme tak, že se celé posunou směrem k vyšším hodnotám, naměřená data poté odpovídají vyšší metalicitě, což znamená větší podíl jader prvků těžších, než je vodík a helium, a veškerá data poté začnou dávat lepší smysl,“ vysvětluje Jakub Vícha, autor článku, který nyní zveřejnil odborný časopis The Astrophysical Journal Letters. „Dříve se to bralo spíš jako okrajová teorie, ale právě tato možnost nabízí konzistentní vysvětlení dat, která máme nyní k dispozici: kosmické záření o nejvyšších energiích by mohly tvořit pouze jádra těžkých prvků, jako například železa,“ uvádí vědec. 

Právě železo je přitom ve vesmíru poměrně běžné. Je nejtěžším prvkem, který vzniká při jaderných procesech ke konci života hvězd, je velmi stabilní a ve vesmíru je ho stále poměrně dostatek. „Vývoj nových hypotéz naznačuje, že by se v extrémních procesech, například při splynutí dvou neutronových hvězd, mohla objevovat dokonce i těžší jádra – ale to zatím zůstává v rovině spekulací,“ dodává Jakub Vícha.

Zakřivené dráhy a mionový problém

Pokud jsou přilétající nejenergetičtější jádra skutečně takto těžká, silněji se odklánějí v galaktických i mezigalaktických magnetických polích a na Zemi přilétají po výrazně zakřivené trajektorii. To komplikuje snahu určit, odkud částice přilétají. Tím se velmi ztěžuje i hledání jejich zdrojů. 

Pro některé fyziky jde o velmi nechtěný výsledek, protože zmenšuje šanci na jednoznačné spojení částic s konkrétními objekty ve vesmíru, jak by tomu bylo v případě velmi lehkých částic.

„Takto extrémní scénář – tedy čisté železo na nejvyšších energiích – může přitom dobře odpovídat pozorovaným datům, včetně dlouhodobých problémů identifikovat zdroje kosmického záření ze směrů jejich příletů,“ upozorňuje Alena Bakalová, spoluautorka článku. 

Navrhovaný „heavymetalový“ scénář rovněž významně snižuje i tzv. mionový problém, tedy rozpor mezi naměřeným počtem mionů a modelovými předpověďmi. Miony jsou částice vznikající ve spršce kosmického záření, které mohou dopadnout až na zem.

Publikace článku o těžkých kovech na nejvyšších energiích v kosmickém záření vnesla debatu o vyhodnocování dat uvnitř vědeckých týmů Observatoře Pierre Augera. „Analýzy kosmického záření založené na předpovědích současných modelů hadronických interakcí budou muset být přehodnoceny. Nepůjde o drobnou korekci, ale o zásah do základního rámce, jak se naměřená data interpretují,“ zdůrazňuje Jakub Vícha. 

Odkaz na publikaci:
A Heavy-Metal Scenario of Ultra-High-Energy Cosmic Rays 
Jakub Vícha, Alena Bakalová, Ana L. Müller, Olena Tkachenko, Maximilian K. Stadelmaier
https://doi.org/10.3847/2041-8213/add536

Kontakt:
Ing. Jakub Vícha, Ph.D.
Fyzikální ústav AV ČR
vicha@fzu.cz

TZ ke stažení zde

Přečtěte si také

• Neobyčejná genetika obyčejných šípků – umí dělit lichý počet chromozomů
• První umělé zatmění Slunce – s českou účastí
• Vědci krotí houbu, smrtelně nebezpečnou pro oslabené pacienty
• Nová role známého genu: CDK12 je nezbytný pro zrání vajíček a plodnost
• Čeští vědci potvrdili masivní přemnožení invazního sumce v jižním Španělsku
• Platy učitelů v roce 2024 a výhled: na horské dráze
• Archeologické léto zve letos do Šikmého kostela, na vykopávky i k experimentům
• Solarografický meeting 2025 – mezi vědou a uměním
• Čeští vědci detekovali požáry v kanadských lesích
• Nejcennější nálezy z výzkumu před stavbou Pražského okruhu