Prorok dramatu z hloubi vesmíru? Teleskop zavětřil rekordní částici

Článek si také můžete poslechnout v audioverzi.

Hluboko pod hladinou Středozemního moře se objevily stopy zatím nevídaného návštěvníka z vesmíru. Šlo o jedinou částici, která v sobě nesla tolik energie, že byste ji neměli problém doslova cítit na vlastní kůži, pokud by to bylo technicky možné.

Objev se odehrál na samém začátku existence rozsáhlé hlubokomořské observatoře, která má přitom zkoumat objekty v dalekém vesmíru. A otevírá astronomům a fyzikům možnost pohledu do zatím skrytých zákoutí kosmu.

Nezvyklý host z dalekého vesmíru patřil mezi neutrina. To je jedna z tuctu základních částic, ale je mezi všemi výjimečná tím, jak málo dbá na své okolí. Nepůsobí na ně téměř žádné fyzikální síly; nemají náboj, mají jen extrémně, extrémně malou hmotnost, a tak na ně zemská gravitace nemá prakticky žádný vliv.

Bez velkých problémů mohou procházet i objekty mnohonásobně hmotnějšími. Například světelné částice, tedy fotony, vznikající v nitru hvězd, se pomalu „derou“ na povrch hvězdy stovky či tisíce let.

Neutrina, která v hvězdách také vznikají, naprosto bez potíží projdou i hvězdou a opouští své rodiště rychlostí světla. I našimi těly a vším kolem nás prochází neutrina prakticky neustále, aniž by na nás či naše bezprostřední okolí měla sebemenší vliv. Jako by si existovala v nějakém paralelním vesmíru, který s námi přímo sousedí, a přitom nemá téměř nic společného.

Ale jen téměř. Neutrina nedokážeme nijak prakticky využívat, ale k něčemu jsou přece jen dobrá – dostanou se prakticky všude. Vesmír je plný zajímavých míst, do kterých nevidíme. Příkladem mohou být velké černé díry.

Přitom tyto extrémní oblasti představují zajímavé přírodní laboratoře s podmínkami, které v laboratoři, ani na nejsilnějších přístrojích, nedokážeme napodobit. Nedokážeme se jim ani vzdáleně přiblížit: z takových míst k nám přilétají částice, které nesou mnoho, mnohonásobně větší energii než částice z těch největších urychlovačů.

Částice či jiné signály, jež z takového místa přiletí, by byly tedy vhodným zdrojem informací o tom, jak fyzika za tak extrémních podmínek vypadá. Jakékoliv rozdíly by nám mohly pomoci naznačit, v čem jsou naše teorie nepřesné, či minimálně nedostatečné.

Ale jak do nich nahlédnout? Fotony zastaví hmota, které je kolem aktivních extrémních objektů hodně, nabité částice snadno odkloní z cesty jakékoliv elektromagnetické pole. I když k nám někdy nakonec doletí, mohly změnit směr tolikrát, že si nemůžeme být jisti tím, odkud pochází.

Musíme tedy hledat jiná „okna“, jak do takových míst nahlédnout. A jedním z možných „zpravodajů“ jsou právě neutrina. Ta, jak již bylo řečeno, jen tak něco nezastaví a mohou k nám přilétat s informacemi i o těch nejméně dostupných oblastech našeho vesmírného okolí.

Myšlenka „neutrinové astronomie“ má slabinu, na kterou jste nepochybně už přišli sami: neutrina se těžko chytají.

Jedinou fyzikální silou, která na tyto částice působí, je tzv. slabá interakce. Ta působí ovšem na extrémně krátké vzdálenosti, v podstatě pouze v případě, kdy neutrino přímo „trefí“ nějakou jinou částici. To se ovšem stává velmi zřídka, protože i z našeho běžného pohledu „pevná“ hmota je z velké části prakticky pouze prázdný prostor.

Detektory neutrin přesto existují. Stejně jako u jiných částic ovšem nezachycují samotnou měřenou částici, nýbrž následky srážky neutrin s běžnou hmotou. Při ní totiž mohou vzniknout jiné částice, které se zaznamenávají snáze.

Jejich druh, energii a další parametry pak dokážeme změřit. Podle toho, o jaké typy částic se jednalo, lze pak zpětně určit druh jejich „mateřské“ částice a další údaje o ní, včetně celkové energie.

Neutrina kvůli svým vlastnostem podobných srážek produkují málo. V běžném prostředí detektory mnohem spíše zachytí stopy srážek jiných částic a ty „neutrinové“ zaniknou v jejich šumu. Někdy to není velký problém: stopy neutrina se vůbec poprvé podařilo zachytit v roce 1956 v blízkosti jaderného reaktoru, který jich produkuje ohromné množství. Srážek je tedy také mnoho.

Na mnohem vzácnější neutrina z pro nás jinak nedostupných koutů vesmíru se musí jinak. Už na přelomu 50. a 60. let sovětský fyzik Moisej Markov navrhl postavit detektor vhodný právě pro lov neutrin z takových objektů. Dle něj by měly být umístěny v hlubokém moři či jezeře.

Hluboká voda by měla zastavit velkou část částic, jejichž srážky vytváří šum, který zastíní neutrinové srážky. Navíc se v ní dobře šíří světlo, které částice vzniklé při srážce vydávají. Pro člověka je sice příliš slabé, pro dostatečně citlivou elektroniku ovšem nikoliv.

Základem všech detektorů astrofyzikálních neutrin jsou tedy ve skutečnosti malé detektory slabých světelných záblesků někde ve velmi tmavém, ale přitom vlastně průhledném prostředí.

Rusko proto před několika lety začalo uvádět do provozu podobný detektor v jezeře Bajkal. Asi nejexotičtějším místem, kde nějaký velký detektor neutrin leží, je ledovec blízko jižního pólu. Zhruba v hloubce od 1,5 do 2,5 kilometru pod povrchem se tam nachází v čirém antarktickém ledu americký detektor IceCube.

Fyzikové z jiných zemí, kteří se nemohou opřít o logistickou sílu americké armády, jež provozuje základnu u pólu, si musí najít jiná místa. Evropští odborníci tak sáhli po svém nejhlubším nejbližším moři, tedy moři Středozemním.

Do roku 2022 nedaleko francouzského Toulonu fungoval detektor nazývaný Antares. Ve stejné době už se ale pracovalo na stavbě jeho nástupce, zařízení nazvaném „KM3NeT“ (podrobnosti o něm na Wikipedii). O vhodnosti názvu se dá nepochybně debatovat, jeho logika vám bude na pohled nepochybně rychle zřejmá: je to „síť“ (net) o objemu kilometru krychlového, tedy km3. Plný název je mimochodem „km3 sized Neutrino Telescope“.

Na přípravě a samotné stavbě se podílejí stovky odborníků z řady různých institucí, včetně jedné české. Naši zemi zastupuje Ústav technické a experimentální fyziky ČVUT s týmem, v němž jsou vědci z Česka, Slovenska i Velké Británie.

„Teleskop“, který odborníci dávají dohromady, vůbec nevypadá jako dalekohled. Tvoří ho spousta malých a velmi citlivých detektorů rozmístěných ve vybraném prostoru. V případě evropského detektoru to je například na dně Středozemního moře, zhruba 3,5 kilometru pod hladinou (lokality jsou dvě, druhá je 2,5 kilometru hluboko, ale to není tak důležité).

Cílem je vytvořit trojrozměrnou síť, v níž jeden jediný záblesk zachytí vícero detektorů. Díky tomu je pak možné určit jeho sílu a směr, kterým se šíří – a tedy dráhu částice, jež ho způsobila. Jednotlivé detektory jsou tak jako perly navlečené na dlouhé kabely připevněné ke dně moře. Navlečené jsou řídce, s velikými rozestupy, protože nemá smysl mít detektory blízko u sebe – přece jen se měří rychle pohybující částice.

Asi si dokážete představit, že takové zařízení je těžké nejen postavit, ale také z něj získat zajímavé a spolehlivé údaje. I v takových hloubkách se objevují nežádoucí světelné zdroje: světlo si tam vyrábí například některé živé organismy. Navíc se objevují i třeba záblesky vyvolané dopady jiných částic než neutrin, například částic kosmického záření (což nejsou neutrina, ale třeba protony nebo jádra hélia).

Detektory neutrin se tak dívají i (nebo dokonce primárně) „pod sebe“, na oblohu na druhé straně planety. Země je totiž takový velký filtr, který skoro všechny typy částic zastaví, kromě neutrin.

Neutrina sama o sobě nejsou až tak „zajímavá“ – nenesou příliš mnoho informací. Nepřímo ovšem dokážeme změřit, kolik mají energie a jakého jsou druhu - existují tři, ale rozdíly mezi nimi jsou pro nás nepodstatné.

Přesto alespoň nějaký signál je lepší než žádný. Už to, že z nějakého objektu přilétají neutrina s tou či onou energií, umožňuje alespoň rámcově zjistit, jaké podmínky (teploty, gravitace) mohou v daném místě panovat.

Například zmíněný IceCube už dokázal zachytit vícero neutrin s energiemi řádově stokrát vyššími než z největšího pozemského urychlovače LHC, tedy s energií řádově jednotek PeV (petaelektronvoltů). Původ některých se podařilo vystopovat až k jádrům vzdálených velkých galaxií, respektive k mohutným černým dírám v jejich centrech.

Detektoru pod Středozemním mořem se ovšem podařilo rekord zřejmě bezpečně překonat. Už v roce 2023, v době, kdy pod vodou a v provozu nebyla ani desetina z naplánovaných detektorů, zachytil částici z energií něco přes 200 PeV, uvádí tým v práci, kterou vydal časopis Nature.

Kolik to je energie? Jeden z členů týmu, fyzik Aart Heijboer z Nizozemska, během tiskové konference k představení výsledku nabídl srovnání, jež si lze snadno představit: jde o podobnou energii, jakou má pingpongový míček, který (v zemské gravitaci) spadne asi o jeden metr. Jen místo do triliardy (miliardy bilionů) částic jako míčku je tato energie koncentrována do jednoho prakticky nehmotného neutrina.

Pochopitelně si fyzikové nemohou být jistí na 100 procent, zachytili jen pravděpodobné stopy po srážce neutrina s jinou částicí, to samotné nezměřili, jak jsme už vysvětlovali. Ale výsledek byl natolik neuvěřitelný, že prošel mnohonásobnou kontrolou a lepší vysvětlení zatím nikdo nenabídl.

Bohužel, o události i původu dané částice zatím o mnoho více říci nemůžeme. Detektor byl v době měření neúplný, a tak směr příletu částice nedokázal určit přesně. Nevíme tedy, odkud k nám přilétlo, ani jak vzniklo.

Astronomové odhadují, že by se mohlo jednat nejspíše o nějakou velmi „dramatickou“ událost, jako výbuch supernovy nebo okamžik, kdy černá díra pohltí hvězdu. Její dozvuky by mělo být možné pozorovat. KM3NeT by tak do budoucna měl být vybaven systémem, jenž astronomy rychle upozorní na přílet podobných částic zhruba do 20 sekund a umožní jim rychle zamířit i jiné teleskopy daným směrem.

Ale na takové výsledky si budeme muset i v nejlepším případě ještě chvíli počkat. Systém pro přesné určování směru přilétajících částic by měl být nainstalován někdy v průběhu letošního roku. Celý teleskop by pak měl být hotov zhruba do pěti let, uvádí časopis Science. Zatím je hotov jen zhruba ze 16 procent.