Elektrony s rekordními energiemi chytají teleskopy do pasti

Obrázek 2: Umělecká představa rotujícího pulzaru se svým silným magnetickým polem, které se s ním otáčí. Oblaky nabitých částic se pohybují podél siločar a jejich gama záření je vyzařováno jako světlo majáku magnetickým poli. © NASA/Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab / Obrázek 2: Umělecká představa pulzaru se svým silným magnetickým polem, které se kolem něj otáčí. Oblaky nabitých částic pohybujících se podél siločar emitují gama záření, které jsou soustředěny magnetickými poli, podobně jako paprsky světla z majáku. V těchto magnetických polích jsou vytvářeny a urychlovány páry pozitronů a elektronů, což činí pulzary potenciálními zdroji vysoceenergetických kosmických elektronů a pozitronů. © NASA/Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab

Obrázek 1: Vizualizace uspořádání teleskopů H.E.S.S. pro zachycení částicových spršek, které jsou vytvářeny vysokoenergetickými kosmickými elektrony a pozitrony, stejně jako gama zářením. © MPIK/H.E.S.S. Collaboration / Obrázek 1: Vizualizace pole teleskopů H.E.S.S. zachycujících spršky částic produkované vysokoenergetickými kosmickými elektrony a pozitrony, stejně jako gama paprsky. © MPIK/H.E.S.S. Collaboration

Obr. 3: Energetické spektrum CRe. Červené kruhy označují kandidáty na CRe měřené přístrojem H.E.S.S.. Tmavě červený pás odpovídá rozbitému mocnému zákonu, který byl k datům přizpůsoben, přičemž šířka pásu odpovídá statistickým chybám měření. Světle modrý pás ukazuje odhadovaný rozsah skutečného toku CRe, přičemž jsou zohledněny kontaminace CRn a také statistické a systémové chyby.

Vědci ze spolupráce H.E.S.S., včetně konsorcia německých univerzit, Max-Planck-Institutu pro jadernou fyziku a CNRS ve Francii, nedávno identifikovali nejenergičtější elektrony a pozitrony, jaké byly kdy na Zemi změřeny. Poskytují důkazy o kosmických procesech, které uvolňují obrovské množství energie, jejichž původ je stále neznámý. Tyto výsledky budou zveřejněny 25. listopadu v časopise Physical Review Letters.

Vesmír je plný extrémních prostředí, od nejchladnějších teplot po nejenergičtější zdroje. Extrémní objekty, jako jsou pozůstatky supernov, pulzary nebo aktivní galaktické jádra, mohou vytvářet nabité částice a gama záření, jejichž energie jsou řádově vyšší než ty, které jsou dosažitelné při termických procesech, například jaderné fúzi ve hvězdách.

Zatímco emitované gama záření volně prochází vesmírem, nabité částice – také nazývané kosmické záření – jsou odchylovány všudypřítomnými magnetickými poli ve vesmíru a dosahují Země rovnoměrně ze všech směrů. Navíc při interakci s světlem a magnetickými poli ztrácejí energii. Tyto ztráty jsou obzvláště výrazné u nejenergičtějších elektronů a pozitronů s energií nad teraelectronvolt (1 TeV = 10^12 elektronvoltů), což jsou elektrony kosmického záření (CRe). Jejich detekce na Zemi je proto jasným důkazem existence silných kosmických urychlovačů částic v blízkosti naší sluneční soustavy, i když nelze jejich původ určit přímo ve vesmíru.

Nicméně je detekce těchto vysoceenergičtějších částic obtížná: kosmické teleskopy s detektorem o ploše přibližně jednoho čtverečního metru nemohou zachytit dostatečné množství vzácných částic. Pozemní přístroje mohou sice detekovat kaskády částic, které vznikají při dopadu kosmických částic na atmosféru Země, avšak čelí výzvě rozlišit kaskády vyvolané elektrony nebo pozitrony od těch, které vznikají při dopadu těžších kosmických jader. V roce 2008 se vědcům poprvé podařilo identifikovat tyto CRe v datech pozemního Čerenkovova teleskopu H.E.S.S.

Observatoř H.E.S.S. v Namibii využívá pět velkých zobrazovacích atmosférických Čerenkovových teleskopů k zachycení slabého Čerenkovova záření, které vzniká při průchodu vysokoenergetických částic a fotonů atmosférou našeho planetu, čímž se vytváří kaskáda částic (Obrázek 1). Ačkoliv je hlavním cílem observatoře detekce, selekce a měření zdrojů gama záření, lze data také využít k hledání kosmických elektronů.

V nové analýze, kterou nyní představila vědecká skupina H.E.S.S., bylo možné získat nové poznatky o původu těchto částic. Vědci přehodnotili obrovský datový soubor shromážděný čtyřmi z teleskopů H.E.S.S. během více než deseti let, a použili nové a přísné selekční algoritmy k identifikaci kosmických elektronů s dosud nejnižší kontaminací pozadí. To vedlo k dosud největšímu statistickému souboru dat pro analýzu kosmických elektronů. Zejména poprvé vědci z této spolupráce získali data CRe v nejvyšších energetických rozsazích až do 40 TeV (teraelektronvoltů).

"Pozorujeme, že spektrum energie CRe s rostoucí energií vykazuje jemný pokles, avšak kolem 1 Tera-elektronvolt dojde k prudkému zploštění spektra. Jak nad, tak pod tímto bodem, spektrum následuje mocninné zákony a neobsahuje žádné další výrazné změny, jaké předpovídají mnohé modely urychlování CRe," poznamenává Mathieu de Naurois z Laboratoire Leprince-Ringuet, École Polytechnique, CNRS, jeden z hlavních autorů studie.

Vědci však zjistili, že přechod od plochého ke strmějšímu poklesu spektra energie kolem 1 Tera-elektronvolt je překvapivě ostrý.

"To je důležitý výsledek, protože z něj můžeme usoudit, že naměřené kosmické záření pravděpodobně pochází pouze od několika málo zdrojů v blízkosti naší vlastní sluneční soustavy, které jsou maximálně několik tisíc světelných let vzdálené – což je velmi malá vzdálenost ve srovnání s velikostí naší galaxie. Emise z velkého počtu zdrojů v různých vzdálenostech by tento signál mnohem více rozptýlily," vysvětluje Kathrin Egberts z Univerzity v Postupimi, další vedoucí autorka studie. "Díky naší podrobné analýze jsme mohli poprvé výrazně omezit původ těchto kosmických elektronů."

Prof. Werner Hofmann z Max-Planck-Institutu pro jadernou fyziku v Heidelbergu vysvětluje význam nové analýzy pro astrofyzikální výzkum: „Velmi nízké průtoky při vysokých energiích výrazně omezují možnosti kosmických misí, které by mohly podobná měření provádět. Naše analýza nyní poskytuje data v klíčové a dosud neprozkoumané energetické oblasti, která ovlivní naše porozumění místnímu prostředí. Pravděpodobně tak bude určovat měřítko v této energetické oblasti po nějakou dobu.“

Observatoř H.E.S.S.

Vysoceenergetické gama záření lze ze Země pozorovat pouze pomocí triku. Když gama paprsek pronikne do atmosféry, srazí se s atomy a molekulami a vytvoří nové částice, které se jako lavina řítí k povrchu Země. Tyto částice vysílají záblesky, které trvají jen několik miliardtinných sekund (Čerenkovovo záření) a lze je pozorovat speciálně vybavenými velkými teleskopy na zemi. Vysokoenergetická gama astronomie tak využívá atmosféru jako obrovský světelný plápol. Observatoř H.E.S.S. v pohoří Khomas v Namibii ve výšce 1835 m byla oficiálně uvedena do provozu v roce 2002. Skládá se z pole pěti teleskopů. Čtyři teleskopy s odrazivým zrcadlem o průměru 12 m jsou rozmístěny na rozích čtverce, zatímco jeden 28metrový teleskop je uprostřed. Díky tomu lze detekovat kosmické gama záření v rozsahu od několika desítek Gigaelektronvoltů (GeV, 10^9 elektronvoltů) až po několik desítek Teraelektronvoltů (TeV, 10^12 elektronvoltů). Pro srovnání: částice viditelného světla mají energii kolem dvou až tří elektronvoltů. H.E.S.S. je v současnosti jediným přístrojem, který pozoruje jižní oblohu ve vysokoodběrovém gama záření, a zároveň největším a nejcitlivějším teleskopickým systémem svého druhu.

Bibliografie:
High-Statistics Measurement of the Cosmic-Ray Electron Spectrum with H.E.S.S.
H.E.S.S. Collaboration. Physical Review Letters, 25. listopadu 2024.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.221001
arXiv: http://arxiv.org/abs/2411.08189