Záhadná částice Amaterasu: Kosmické záření o extrémní energii 244 EeV dorazilo ze zdánlivě prázdného vesmíru

Umělecká vizualizace spršky částic ultra-vysokoenergetického kosmického záření Amaterasu dopadající na soustavu povrchových detektorů Telescope Array v poušti v Utahu. Kredit: University of Utah / Telescope Array Collaboration

V květnu 2021 zaznamenala mezinárodní observatoř Telescope Array v americkém Utahu událost, která šokovala svět částicové fyziky a kosmologie. Z hlubin vesmíru dorazila jediná subatomární částice o energii, která zcela popírá představy o běžných astrofyzikálních procesech. Její kinetická energie dosáhla astronomické hodnoty 244 exaelektronvoltů (EeV – 2,44 × 10²⁰ eV), což v makroskopickém světě odpovídá energii přibližně 39 Joulů směstnaných do jediného protonu či atomového jádra. Pro představu: je to stejná kinetická energie, jakou má basketbalový míč hozený profesionálním hráčem, nebo cihla padající z výšky jednoho metru na zem.

Tato částice, která získala jméno Amaterasu podle šintoistické bohyně slunce🪐 AstroWiki EncyklopedieSlunceSlunce je centrální hvězdou naší planetární soustavy, žlutý trpaslík spektrální třídy G2V, který svou gravitací váže všechna tělesa od plane...Otevřít heslo v encyklopedii →, se stala druhou nejenergetičtější částicí v dějinách moderní experimentální fyziky, zaostávající pouze za legendární částicí „Oh-My-God“ zachycenou v roce 1991 (320 EeV). Skutečná vědecká záhada však nastala ve chvíli, kdy astronomové zrekonstruovali směr jejího příletu. Trajektorie ukazuje do zdánlivě naprosto prázdného prostoru – do tzv. Místní prázdnoty (Local Void), kde se v dosahu kosmického limitu nenachází žádný objekt schopný takové monstrózní urychlení vyvolat.

Hlas bohyně slunce: Záchyt na soustavě Telescope Array

K detekci došlo 27. května 2021 v 04:35:56 světového času (UTC). Observatoř Telescope Array, kterou provozuje mezinárodní kolaborace vědců z USA, Japonska, Jižní Koreje a dalších zemí, se rozkládá v polopouštní pánvi Millard County v západním Utahu:

• Detekční systém tvoří soustava 507 povrchových scintilačních detektorů rozestavěných v pravidelné čtvercové síti s rozestupy 1,2 kilometru, pokrývajících celkovou plochu 700 kilometrů čtverečních.
• Pole doplňují tři fluorescenční teleskopické stanice, které během temných bezměsíčných nocí sledují slabé ultrafialové záření buzené ionizací dusíku v atmosféře.

Když částice Amaterasu vletěla do horních vrstev zemské atmosféry rychlostí nerozeznatelnou od rychlosti světla, narazila do jádra atomu dusíku či kyslíku ve výšce kolem 20 kilometrů nad povrchem. Tato srážka vyvolala gigantickou kaskádu sekundárních částic – tzv. rozsáhlou atmosférickou spršku (EAS – Extensive Air Shower).

Během zlomku mikrosekundy se zrodily desítky miliard sekundárních částic: piónů, mionů, elektronů, pozitronů a fotonů. Sprška zasáhla zemský povrch jako obrovský talířovitý disk plazmy:

• Signál současně aktivoval 23 povrchových scintilačních stanic pokrývajících plochu 48 kilometrů čtverečních.
• Centrální detektory zaznamenaly obrovskou hustotu částic přesahující tisíce částic na metr čtvereční, která saturovala digitalizační obvody.
• Z časových rozdílů aktivace jednotlivých senzorů (měřených s přesností na nanosekundy pomocí GPS synchronizace) byl zrekonstruován směr příletu primární částice s úhlovou nejistotou menší než 1,5 stupně.

Po dvou letech pečlivého ověřování kalibrací, vylučování hardwarových chyb a simulací spršek potvrdil tým vedený prof. Toshihirem Fujiim z Osaka Metropolitan University energii částice na 244 ± 29 EeV. Pro srovnání: největší pozemský urychlovač částic, Velký hadronový urychlovač (LHC) v CERNu, dokáže urychlit protony na energii 7 TeV (7 × 10¹² eV). Částice Amaterasu nesla energii zhruba třicetmilionkrát vyšší než jakou jsme schopni vyrobit pomocí nejmodernější lidské technologie!

Kosmický limit GZK: Odkud částice (ne)může přiletět

Při takto extrémních energiích vstupuje do hry fundamentální limit astrofyziky vysokých energií: Greisen-Zatsepin-Kuzminův limit (GZK limit), zformulovaný v roce 1966 Kennethem Greisenem, Georgijem Zatsepinem a Vadimem Kuzminem.

Základní fyzikální princip GZK limitu spočívá v interakci částic s reliktním mikrovlnným zářením (CMB), které vyplňuje celý vesmír (s hustotou zhruba 410 fotonů na cm³):

1. Pro částici s energií nad prahovou hodnotou E_GZK ≈ 50 EeV (5 × 10¹⁹ eV) jsou fotony reliktního záření v její klidové soustavě Dopplerovsky posunuty do oblasti tvrdého gama záření.
2. Dochází k nepružným fotonukleárním reakcím:
   p + γ_CMB → Δ⁺ → p + π⁰ (nebo n + π⁺).
3. Při každé takové srážce ztratí proton přibližně 20 % své kinetické energie.
4. V důsledku těchto energetických ztrát činí střední volná dráha částice ve vesmíru pouhých několik desítek milionů světelných let.

Tento jev vytváří tzv. GZK horizont: jakákoliv částice s energií nad 100 EeV nemůže překonat vzdálenost větší než přibližně 50 až 100 megaparseků (zhruba 160 až 300 milionů světelných let). Z toho plyne naprosto neúprosný logický závěr: částice Amaterasu musela vzniknout v našem bezprostředním kosmickém sousedství, v lokálním vesmíru! Nemohla přiletět z hlubin kosmologických dálav.

Směr do prázdna: Záhada Místní prázdnoty (Local Void)

A právě zde nastává největší záhada. Když astronomové promítli směr příletu částice na mapu blízkého vesmíru, narazili na prázdno.

Trajektorie ukazuje přímo do oblasti známé jako Místní prázdnota (Local Void):

• Local Void je obrovská kosmická bublina s extrémně nízkou hustotou galaxií, která bezprostředně sousedí s naší Mléčnou dráhou a Místní skupinou galaxií.
• V kuželu spolehlivosti příletu částice Amaterasu se v okruhu odpovídajícím GZK limitu nenachází žádná aktivní galaxie, žádný kvasar, žádné relativistické radiové laloky ani známé pozůstatky po magnetarech či hypernovách.
• V tomto směru leží pouze několik zcela běžných, trpasličích, poklidných galaxií, které nemají žádný centrální motor ani magnetická pole schopná urychlit částici na stovky exaelektronvoltů.

Kde se tedy částice vzala? Pro vysvětlení tohoto kosmického rébusu existují tři hlavní hypotézy:

1. Extrémní magnetický ohyb těžkého jádra

Pokud částice Amaterasu nebyla lehkým protonem, ale těžkým atomovým jádrem (například jádrem železa ⁵⁶Fe s protonovým nábojem Z = 26), je její trajektorie v magnetických polích zakřivována 26krát silněji než u protonu:
R = E / (Z × e × B).
Galaktické magnetické pole Mléčné dráhy a mezigalaktická magnetická pole mohla dráhu jádra vychýlit o desítky úhlových stupňů. Skutečný zdroj by pak ležel v úplně jiném směru oblohy – například v bouřlivé galaktické kupě v Panně nebo u radiové galaxie Centaurus A. Proti této hypotéze však stojí fakt, že těžká jádra železa se při energiích nad 200 EeV na fotonech CMB rozpadají fotodisociací ještě rychleji než protony.

2. Neznámá mezigalaktická magnetická pole

Je možné, že intenzita a struktura magnetických polí v mezigalaktických prázdnotách (voids) je řádově silnější a turbulentnější, než předpokládají dosavadní standardní kosmologické modely. V takovém případě by i proton mohl být silně vychýlen z přímého směru a dorazit k Zemi po složité křivce.

3. Exotická nová fyzika a rozpad temné hmoty

Pokud částice letěla přímo a magnetická pole jsou slabá, stojíme před nutností zavést novou fyziku mimo rámec Standardního modelu částic:

• Může jít o rozpad hypotetických supermasivních částic temné hmoty (tzv. WIMPzillas s hmotnostmi 10¹³ až 10¹⁴ GeV), které by mohly být gravitačně zachyceny v halo Místní prázdnoty.
• Alternativně se diskutují exotické modely porušení Lorentzovy invariance (LIV), které by mohly modifikovat disperzní relaci částic a potlačit interakci s reliktním zářením, čímž by částice překonala podstatně větší vzdálenost bez ztráty energie.

Rozšíření Telescope Array: Projekt TAx4

K definitivnímu rozřešení původu částice Amaterasu a její předchůdkyně Oh-My-God potřebují fyzici podstatně větší statistický vzorek těchto extrémních událostí. Vzhledem k tomu, že částice s energií nad 100 EeV zasáhnou jeden kilometr čtvereční zemského povrchu v průměru pouze jednou za jedno století, jediným řešením je vybudování obřích detekčních polí.

V současnosti probíhá masivní rozšíření observatoře Telescope Array v rámci projektu TAx4:

• Plocha detekční sítě se čtyřnásobně zvětšuje na bezmála 3 000 kilometrů čtverečních (plochou srovnatelná s Lucemburskem).
• Přibývá dalších 500 scintilačních detektorů a nové fluorescenční teleskopy.
• Projekt TAx4 na severní polokouli společně s modernizovanou observatoří Pierre Auger v Argentině na jižní polokouli vytvoří globální síť schopnou zachytit desítky ultra-vysokoenergetických částic ročně.

„Když jsem poprvé uviděl data z detektorů, myslel jsem si, že jde o softwarovou chybu nebo kalibrační anomálii. Úrovně signálu byly bezprecedentní. Když se potvrdilo, že jde o skutečnou částici s energií přes 240 EeV, uvědomili jsme si, že stojíme před obrovskou hádankou. Příroda nám poslala posla ze zdánlivě prázdného prostoru. Zda jde o neznámý urychlovač, extrémní magnetická pole, nebo zcela novou fyziku za hranicemi našich teorií, to nám ukáží až další léta pozorování,“ uzavřel vedoucí týmu profesor Toshihiro Fujii.

Reference

[1] Telescope Array Collaboration: Abbasi, R. U., et al. (2023). An extremely energetic cosmic ray observed by a surface detector array of the Telescope Array experiment. Science, 382(6673), 903–907. DOI: 10.1126/science.abo5095.
[2] Bird, D. J., et al. (1993). Evidence for correlated changes in the spectrum and composition of cosmic rays at extremely high energies. Physical Review Letters, 71(21), 3401–3404. DOI: 10.1103/PhysRevLett.71.3401 (Objev Oh-My-God particle).
[3] Greisen, K. (1966). End to the Cosmic-Ray Spectrum? Physical Review Letters, 16(17), 748–750. DOI: 10.1103/PhysRevLett.16.748.
[4] Zatsepin, G. T., & Kuz'min, V. A. (1966). Upper Limit of the Spectrum of Cosmic Rays. JETP Letters, 4, 78–80.
[5] Pierre Auger Collaboration (2024). Constraining the Sources of Ultra-High-Energy Cosmic Rays across the Anisotropy Sky. Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, 2024(01), 022. DOI: 10.1088/1475-7516/2024/01/022.