Extrémní a výkonné objekty ve vesmíru, jako jsou supermasivní černé díry a supernovy, vyzařují gama záření. Observatoř Cherenkov Telescope Array Observatory se stane nejvýkonnější pozemní observatoří na světě v oblasti vysokoenergetické gama astronomie. Její spolumluvčí Rene Ong, který letos navštívil Fyzikální ústav AV ČR, popsal vědeckou vysokoenergetickou odyseu.
Profesor fyziky a astronomie Rene A. Ong z Kalifornské univerzity v Los Angeles hovoří na vědeckém sympoziu k padesátému výročí SLAC. | Foto: Matt Beardsley / SLAC National Accelerator Laboratory
Zakladatel Observatoře Pierra Augera a nositel Nobelovy ceny za fyziku James W. Cronin zásadním způsobem přispěl ke zrodu astročásticové fyziky v České republice. Jak ovlivnila vaše počátky vědecké kariéry spolupráce s profesorem na Chicagské univerzitě?
V osmdesátých letech minulého století se objevily zajímavé výsledky, které naznačovaly vysokoenergetické záření gama pocházející z rentgenové dvojhvězdy Cygnus X3. Ačkoli byly pravděpodobně nesprávné, inspirovaly profesora Jamese Cronina z Chicagské univerzity k vývoji soustavy CASA (Chicago Air Shower Array). Ta pozorovala v devadesátých letech 20. století v Utahu ultraenergetické záření gama s prahovou energií 50 až 100 TeV, tedy nad energií, na které běžně pozorují atmosférické Čerenkovovy teleskopy, ale v rozsahu, na kterém byly v předchozím desetiletí pozorovány gama fotony z rentgenových binárních systémů, jako je Cygnus X3.
Ve Fermilabu probíhaly v době, kdy jsem byl postdoktorandem na Institutu Enrica Fermiho na Chicagské univerzitě, projekty jako The Collider Detector at Fermilab (CDF) nebo experimenty s narušením CP (Charge conjugation Parity). Ale současně probíhaly také všechny zajímavé experimenty související s astrofyzikou, které hledaly něco, o čem nikdo nevěděl, že existuje – byl to počátek částicové astrofyziky nebo astročásticové fyziky. Měl jsem jedinečnou příležitost pracovat s Jamesem Croninem, úžasným člověkem a skvělým vědcem na něčem novém. Spolupracovali jsme téměř deset let na projektu CASA a na počátečním vývoji projektu Observatoře Pierra Augera. Byla to šťastná souhra událostí, načasování a nadšení z budování něčeho nového.
Detektor CASA nenašel důkazy o zdrojích gama záření z Cygnus X3 nebo Krabí mlhoviny. Nebyl dostatečně citlivý, aby je odhalil, ale kdybychom provedli významnou modernizaci, mohli jsme je detekovat, ale místo toho jsme přešli k jiným projektům. V devadesátých letech mě zaujaly experimenty, které detekovaly záření gama v oblasti energií TeV pomocí atmosférické Čerenkovovy techniky, jejímž průkopníkem byl Trevor Weeks a jeho tým na Observatoři Freda Lawrence Whippla v jižní Arizoně, a tak jsem se rozhodl přejít do nové oblasti energií pomocí jiné techniky.
V přednášce jste se věnoval vysokoenergetickým fotonům přicházejícím z vesmíru na Zemi. Dosud byly identifikovány různé typy zdrojů těchto částic, ale nejzajímavější jsou ty, prozatím klasifikované jako „neznámé“. Co o nich víme?
V podstatě všechny tyto neznámé zdroje jsou shromážděny v galaktické rovině. Můžeme si tedy být téměř jisti, že se jedná o galaktické zdroje, protože gama fotony k nám přilétají z roviny galaxie. V současnosti známe více typů galaktických zdrojů – nejběžnějším typem jsou mlhoviny pulsarového větru (PWNe), v nichž se nachází relativistické částice urychlené rotující neutronovou hvězdou. PWNe tvoří největší počet TeV zdrojů, a tak pravděpodobně značnou část těchto neznámých zdrojů tvoří právě PWNe, které nebyly identifikovány na jiných vlnových délkách, takže zůstávají neznámé – dejme tomu, že pravděpodobně nepředstavují zcela novou kategorii. Některé z neznámých zdrojů mohou být pravděpodobně pozůstatky supernov, což jsou slupky materiálu vyvrženého při výbuchu supernovy. Vysokoenergetické částice běžně vznikají v pozůstatcích supernov, ale mohly by mít také původ v objektech, jako jsou mikrokvazary a binární systémy. Doufáme, že existují nové kategorie zdrojů, ale s úhlovým rozlišením současných přístrojů je nedokážeme identifikovat.
Je to motivace pro vybudování nové observatoře CTAO?
Observatoř CTAO bude schopna díky větší citlivosti a většímu zornému poli provádět průzkum galaktické roviny mnohem lépe než předchozí observatoře (H.E.S.S., MAGIC a VERITAS). CTAO odhalí řádově několik stovek nebo více nových zdrojů v naší Galaxii a také určí směr příletu jednotlivých fotonů s přesností na několik obloukových minut místo 0,1–0,2 stupně, což je přesnost současných observatoří. Každý foton bude detekován s lepším úhlovým rozlišením a u silnějších zdrojů budeme znát přesněji polohy zdrojů přibližně na 5–10 úhlových vteřin. Tedy kombinace větší citlivosti, počtu zdrojů a lepšího úhlového rozlišení bude hlavním faktorem, který umožní CTAO určit velký počet těchto neidentifikovaných zdrojů. Na druhou stranu se téměř jistě objeví nové neidentifikované zdroje s nižšími jasnostmi, než jsme byli dosud schopni detekovat, takže záhada bude pokračovat.
CTAO bude navíc provádět bohatý astrofyzikální program mimo galaktickou rovinu, včetně sledování extragalaktických objektů, jako jsou kvazary, rádiové galaxie, galaxie s překotnou tvorbou hvězd, gama záblesky a sledování gravitačních vln a neutrin. A bude probíhat i extragalaktický průzkum. CTAO proskenuje čtvrtinu celé oblohy, tedy asi 10 000 čtverečních stupňů, což by mohlo vést k něčemu zcela novému.
https://www.youtube.com/watch?v=qv-JyExCq7Y
Velmi silně se podílíte také na novém projektu nazvaném General AntiParticle Spectrometer, který se zabývá hledáním antideuteronů a antijáder. Existuje zde souvislost s CTAO?
Nevíme, co je temná hmota, takže potřebujeme různé způsoby, jak ji hledat. CTAO a General AntiParticle Spectrometer (GAPS) hledají určitý typ temné hmoty nazývaný Weakly Interacting Massive Particle (WIMP), který je důležitým možným kandidátem na temnou hmotu. Mohl by vysvětlit některé záhadné aspekty standardního modelu částicové fyziky. CTAO i GAPS používají k identifikaci WIMP nepřímou detekční techniku. Výsledkem anihilace WIMPů s jinými WIMPy je vznik částic Standardního modelu. Tyto částice následně vytvářejí jedinečné signály, které lze detekovat. V případě CTAO je těmito signály gama záření přicházející z míst v Galaxii nebo mimo ni, kde je vysoká koncentrace temné hmoty, přičemž nejpříznivějším místem je blízkost galaktického centra. CTAO může jedinečným způsobem zkoumat soubor modelů temné hmoty, které nejsou snadno testovatelné jinými experimenty využívajícími techniku přímé detekce, nebo dokonce urychlovačem LHC. Jedná se typicky o modely s relativně vysokou hmotností, které nebyly dosud vůbec testovány, a mohlo by zde dojít k významnému objevu. GAPS hledá primární antihmotu, která nevzniká v důsledku sekundárních kosmických interakcí v naší Galaxii. Pokud GAPS detekuje nějaké antideuterony, jejich zdrojem je velmi pravděpodobně anihilace WIMPů. Ačkoli GAPS může pozorovat obecný tok antihmoty nad zemskou atmosférou, nemůže určit směr příletu těchto antideuteronů, protože se jedná o nabité částice a chybí jim informace o směru.
Abychom věděli, odkud pochází temná hmota, tedy potřebujeme observatoř CTAO?
Zatímco CTAO může ukázat, kde se temná hmota koncentruje, GAPS by ji mohl prokázat, a možná dokonce dříve než CTAO. Její detekce experimentem GAPS by byla silným argumentem, že WIMPs existují a že technika nepřímé detekce je správná. To by bylo motivací pro CTAO, aby následně určila, kde se temná hmota nachází. Hmotnostní škály obou detekčních technik jsou poněkud odlišné, ale velmi se doplňují a oba experimenty hledají stejné částice. GAPS je obecně experimentem pro nižší hmotnosti, které by mohla detekovat i CTAO, ale CTAO má jedinečné schopnosti při velmi vysokých hmotnostech.
Ztvárnění observatoře CTAO-Jih | Foto: CTAO
Jaké jsou důvody pro budování CTAO na obou polokoulích?
Cílem je vybudovat CTAO na dvou polokoulích, aby bylo možné pokrýt celou oblohu a zejména, aby observatoř byla citlivá ve směru ke galaktickému centru, které je viditelné z jižní polokoule. Pro lepší detekci gama fotonů a dosažení komplexního pohledu na noční oblohu CTAO rozmístí více než 60 dalekohledů na dvou místech: CTAO-Sever na ostrově La Palma na Kanárských ostrovech a CTAO-Jih v poušti Atacama v severním Chile. Jižní stanoviště je větší a disponuje všemi třemi typy dalekohledů, což nám umožní pokrýt celý energetický rozsah až po nejvyšší energie. Důvodem pro zahrnutí nejvyšších energií je skutečnost, že jižní stanoviště má lepší viditelnost do centrálních oblastí galaktické roviny, tzv. vnitřní galaxie, kde podle našeho názoru existují nejenergetičtější urychlovače částic kosmického záření.
Část CTAO na jižní polokouli v Chile bude pokrývat střední až vysoké energie záření gama (100 GeV až 300 TeV), zatímco observatoř na severní polokouli se zaměří na nízké až střední energie (20 GeV až 10 TeV) a bude se specializovat na extragalaktickou fyziku, a proto nebudou na severním stanovišti umístěny malé teleskopy (SST) určené k detekci gama záření s nejvyššími energiemi.
Ztvárnění observatoře CTAO-Sever | Foto: CTAO
Na stanovišti na severní polokouli lze také pozorovat centrum naší Galaxie, ale ne tak dobře, jako na jihu. Na jižním stanovišti bude tedy CTAO určitě schopna zobrazit všechny centrální oblasti galaktické roviny. Velká část průzkumu galaktické roviny bude provedena v centrálních oblastech z jižního stanoviště. Skutečné bohatství galaktických zdrojů bude pozorováno pomocí CTAO-Jih a malé dalekohledy nám umožní jít až k nejvyšším energiím, což je důležité, protože chceme najít původ galaktických částic kosmického záření s energiemi až jednotky PeV, takzvaných PeVatronů.
A pak je součástí tohoto průzkumu specializovaný pozorovací program, který se podívá velmi hluboko do oblasti galaktického centra, nejen abychom pochopili astrofyziku galaktického centra, ale také abychom hledali možné známky anihilace temné hmoty.
Galaktické centrum, které je silným zdrojem TeV záření gama, nemůže být zahrnuto do hledání temné hmoty kvůli své rozsáhlé astrofyzikální produkci fotonů gama záření. Když se však dostanete o stupeň nebo dva stupně od galaktické roviny, produkce astrofyzikálně produkovaného záření gama dramaticky poklesne a my můžeme tuto oblast, kterou nazýváme halo temné hmoty naší Galaxie, využít k hledání anihilace temné hmoty
Jaký je stav projektů výstavby CTAO na severní a jižní polokouli?
Pokud jde o CTAO obecně, projekt postupuje dobře, pokud jde o konstrukci detektorů, samotných dalekohledů, kamer, elektroniky a softwaru. Vědecká motivace je velmi silná a projekt je dobře finančně zajištěn pro stavbu prvních polí na obou stanovištích CTAO-Sever a CTAO-Jih. Na severní lokalitě se postupuje rychleji a je velmi pravděpodobné, že během příštích dvou let budou dokončeny čtyři z velkých dalekohledů o průměru 23 metrů a bude zahájen jejich počáteční provoz. Následně se začnou přepravovat na severní stanoviště dalekohledy střední velikosti o průměru 12 metrů. Takže očekáváme, že kolem roku 2026 až 2027 bude severní stanoviště provádět počáteční pozorování pro CTAO, pořizovat prvotní údaje o uvedení do provozu a kalibrační údaje a ty se postupně změní na počáteční vědecká data, což bude velmi vzrušující období.
Na jihu zatím nejsou instalovány žádné dalekohledy, ale ještě letos dojde k výraznému navýšení finančních prostředků na tuto výstavbu a začne se budovat značná část infrastruktury. Jsou uzavřeny všechny dohody, aby se v příštích několika letech začaly instalovat dalekohledy i na jihu. Opět doufáme, že v časovém horizontu tří až čtyř let tam budou některé z teleskopů a mohly by zahájit počáteční provoz. Ale dosažení plné kapacity jižní lokality bude pravděpodobně trvat déle než severní lokality.
Takže věříte, že alespoň některé otázky týkající se fotonů s vysokou energií budou zodpovězeny před rokem 2030?
Ano, určitě.
Ovlivnily příspěvky českých skupin vývoj a realizaci projektu CTAO?
Již více než deset let spolupracuji s kolegy z FZÚ na různých aspektech projektu CTAO, včetně výběru lokality a monitorování atmosféry. České skupiny významně přispěly k projektu CTAO, zejména při vývoji kandidátního SST pro jižní lokalitu. Dva prototypové dalekohledy jsou umístěny mimo Prahu a naše práce s nimi byla klíčová pro celkový pokrok projektu SST. Kromě toho české týmy sehrály klíčovou roli v oblasti monitorování atmosféry, kde se používají různá zařízení pro měření přenosu atmosféry, světla hvězd přes celooblohové kamery a přítomnosti mraků. Tyto detektory byly testovány na kandidátských stanovištích a nyní jsou instalovány na CTAO-Sever i Jih. První oficiální instalace CTAO na obou pracovištích jsou z velké části vybaveny českým zařízením, vedle příspěvků dalších institucí. Jejich průkopnické úsilí při navazování komunikace a instalaci na místě bylo neocenitelné. Měl jsem možnost navštívit obě pracoviště a pracovat s detektory. V roce 2019 jsem byl v Chile na rekonstrukci stanice pro monitorování atmosféry, což byla obohacující zkušenost práce v terénu.
Zdroj: Fyzikální ústav AV ČR
Rene A. Ong je spolumluvčí konsorcia Cherenkov Telescope Array a současně působí na katedře fyziky a astronomie Kalifornské univerzity v Los Angeles. Zabývá se výzkumem v oblasti astročásticové fyziky a astrofyziky vysokých energií.
- Autor článku: ne
- Zdroj: Fyzikální ústav AV ČR
