Nalezena nová oblast zlomu ve spektru kosmického záření o nejvyšších energiích

Observatoř Pierra Augera v Argentině změřila spektrum kosmického záření o nejvyšších energiích (UHECR) přilétajícího z vesmíru s bezkonkurenční přesností. Kromě dobře známého zlomu v energetickém spektru, obvykle označovaném jako kotník, byl díky datům získaných observatoří nalezen nový spektrální zlom na vyšších energiích. Původ tohoto zlomu lze vysvětlit závislostí složení kosmického záření na energii. Výsledky byly publikovány ve dvou souvisejících článcích „Phys. Rev. Lett. 125, 121106 (2020)“ a „Phys. Rev. D 102, 062005 (2020)“.

Toto měření spektra je jedinečné bezkonkurenční expozicí více než 60 000 km2×sr×rok a také ve způsobu měření nezávislém na složení primárního kosmického záření a na předpokladech o hadronové fyzice spršek částic.

Vysokoenergetické kosmické záření (UHECR) jsou částice dosahující energií až 1020 eV, což jsou nejvyšší známé energie jednotlivých částic ve vesmíru. Vezmeme-li v úvahu dostupnou technologii, urychlovač LHC by musel být zvětšen na velikost oběžné dráhy planety Merkur, aby dosáhl této energie. Tok těchto částic je však extrémně malý, na plochu čtverečního kilometru dorazí méně než jedna částice za století. Výzkumníci se již dlouhou dobu snaží identifikovat zdroje těchto částic a pochopit procesy, které jim dodávají takové výjimečné energie.

Kolaborace Pierre Auger sdružuje cca 400 vědců ze 17 zemí z celého světa. V argentinské pampě provozuje největší observatoř pro kosmické záření na světě: hybridní detektor kombinující více než 1660 povrchových vodních Čerenkovských detektorů (SD) pokrývajících plochu 3000 km2 a 27 fluorescenčních zrcadlových teleskopů (FD), sledujících shodnou oblast. Kombinace těchto detektorů umožňuje kalorimetrická měření energií částicových spršek, které vznikají interakcí UHECR v atmosféře, a nepřímé měření hmotnosti primárních částic. Kombinací informací o energetickém spektru, hmotnostním složení a rozložení směru příletu primárních částic lze vymezit vlastnosti zdrojů těchto výjimečných částic.

Analýzou dat dosud shromážděných observatoří Pierra Augera bylo energetické spektrum UHECR určeno s velmi vysokou statistikou. Díky bezprecedentní přesnosti měření byl identifikován nový rys ve spektru, vyznačující se změnou mocninné funkce kolem hodnoty 1,3 × 1019 eV. Výsledky jsou uvedeny ve dvou nedávných kolaboračních publikacích (Phys. Rev. Lett. 125, 121106 (2020) a Phys. Rev. D 102, 062005 (2020)). Obrázek 1 ilustruje tyto výsledky spolu s možnou interpretací pozorovaných toků a složení UHECR pomocí zdrojů, jejichž hmotnostní rozdělení produkovaných částic je závislé na energii. Zobrazený příklad představuje konkrétní třídu modelů, ve kterých urychlení částic závisí pouze na jejich rigiditě (energie částice dělená nábojem). Nadbytek prvků se zdá být tvořen převážně středně těžkými jádry pocházejícími ze zdrojů s tvrdým energetickým spektrem, která jsou dále ovlivněna průchodem mimogalaktickým prostředím. V takovém modelovém scénáři by se nový zlom ve spektru přirozeně vyskytl kvůli změně složení částic na daných energiích.

Pozorované energetické spektrum také určuje hustotu energie připadající na UHECR, pocházející z mimo-galaktických zdrojů s kontinuální emisí. Je zajímavé, že v předchozích analýzách Kolaborace Pierre Auger zabývajících se anizotropií směrů příletu UHECR se jako možné zdroje anizotropie jevily některé třídy aktivních galaktických jader (AGN) a hvězdotvorných galaxií (starburst galaxies), u nichž očekáváme zrovna takovou intenzitu produkce kosmického záření. To je zajímavý krok vpřed při hledání zdrojů UHECR.

Obrázek 1: Tok všech částic vysokoenergetického kosmického záření, změřený observatoří Pierra Augera, násobený E3. Data jsou porovnána s modelovým případem zdrojů, ilustrujícím korelaci mezi energií nového rysu spektra a energeticky závislým hmotnostním složením částic.

Observatoř Pierra Augera v současné době prochází rozsáhlou modernizací zahrnující instalaci scintilačních detektorů a rádiových antén na vrchní část povrchových Čerenkovských detektorů. To v budoucnu umožní vědcům získat více informací o hmotnostním složení UHECR na nejvyšších energiích, kde by případná přítomnost lehkých jader mohla umožnit nové způsoby hledání zdrojů UHECR, citlivé na složení a také pomoci studiu kosmických magnetických polí.

Plnohodnotnými členy kolaborace Pierre Auger jsou i čeští vědci Fyzikálního ústavu Akademie věd České republiky, Univerzity Karlovy v Praze a Univerzity Palackého v Olomouci. Společná laboratoř optiky z Olomouce přispěla výrobou zrcadel pro fluorescenční teleskopy, které jsou dnes instalovány a udržovány na observatoři, a systémem BGcam pro monitorování světelného pozadí oblohy nezbytného pro bezpečný provoz těchto teleskopů. S přispěním Astronomického ústavu byl navržen a je provozován robotický dalekohled FRAM, který pomáhá zjišťovat stav atmosféry pro kalibraci pozorování fluorescenčními dalekohledy.