Čtyři miliardy let stará částice prozradila, co po nás střílí černé díry

Od roku 2010 hledají astronomové pod antarktickým ledem světlo. V modravém ledu poblíž jižního pólu je v pravidelných intervalech rozmístěno zhruba pět tisíc detektorů observatoře IceCube (tj. LedováKostka). Mají zachycovat světlo, které vzniká při vzácných srážkách částic přilétajících z vesmíru s jádry atomů v ledu.

Protože detektory jsou až 2,5 kilometru pod ledem, repertoár částic, které se mohou dostat tak hluboko pod povrch, je velmi omezený. Je to samozřejmě záměr, IceCube „loví“ jen ty částice, které do takových hloubek mohou proniknout: neutrina.

Neutrina jsou částice, které se pohybují všude kolem nás, ale s běžnou hmotou se většinou míjí. Neustále prochází našimi těly či celou Zemí, aniž bychom si jich mohli všimnout. Slunce jich vytváří při jaderných reakcích tolik, že našimi těly jich každou sekundu prochází miliardy. Další k nám samozřejmě přilétají ze zbytku vesmíru.

Na světě je několik experimentů, které dokážou stopy těchto nepolapitelných částic zachytit. Kromě IceCube je to italská OPERA, na které došlo k zachycení i „nadsvětelných“ neutrin. Neutrinové detektory bývají obvykle pod povrchem, kam jiné typy částic neproletí – srazí se atmosférou nebo horninou. 

U neutrin je problém opačný, protože prakticky všechna se proženou observatoří, aniž by její existenci vzala na vědomí. Zcela výjimečně se ovšem ve vymezeném prostoru srazí s jádrem nějakého atomu, přičemž se uvolní sprška dalších částic. A jejich projevy už pozorovat lze.

Vrt do antarktického ledu pro laboratoř IceCube

IceCube se specializuje na hledání těch nejexotičtějších neutrin, která mají opravdu vysoké energie, několikanásobně vyšší než částice z nejsilnějších urychlovačů. To jsou dosti záhadní „exoti“, protože mimo jiné nevíme, jak vlastně vznikají, kolik jich přilétá či z jakého směru.

Už v roce 2013 tým pracující na antarktickém detektoru publikoval výsledky, podle kterých minimálně část z řádově nízkých desítek za rok zachycených neutrin s velmi vysokou energií pochází ze zdrojů mimo naši galaxii. Ale kterých přesně? IceCube se už roky dělí s dalšími týmy o detaily z detekce jednotlivých „události“ (tj. zachycených neutrin) v naději, že se nějakému teleskopu podaří najít v koutě oblohy nějaký objekt, který by mohl být jeho zdrojem. Snaha byla neúspěšná až do září loňského roku.

Přesně 24. září 2017 se podařilo zachytit neutrino, které dostalo katalogové číslo IceCube-170922A. Nebylo to zdaleka nejsilnější neutrino zachycené na detektoru, na lidské poměry mělo stejně těžko představitelnou energii kolem 230 teraelektronvoltů (TeV), plus minus pár desítek „TeVů“. To je zhruba 30 až 40krát více, než mají svazky částic v urychlovači LHC.

Šest dní po upozornění od detektoru IceCube oznámil tým využívající Fermiho vesmírného gama teleskopu, že ve směru příletu (s nepřesností cca 0,1 °) neutrina objevil objekt, který by měl být zdrojem zachycené částice. Podle výsledků, které vyšly v časopise Science, šlo o tzv. blazar, což je masivní černá díra, ze kterého ve směru jeho pólů doslova tryská proud nejrůznějších částic a záření s vysokou energií, evidentně včetně neutrin. Takové objekty leží v jádru velké části galaxií, jako blazary se označují jen ty z nich, které shodou okolností míří své výtrysky směrem k Zemi a jsou pro nás tedy viditelné.  

Pro fyziky a astronomy, kteří na projektu pracují, je to ohromný úspěch. Událost by mohla stát na počátku nového oboru neutrinové astronomie. Díky ní bychom mohli získat pohled do nitra objektů, které dnes jsou pro nás prakticky „neprůhledné“, jako jsou například černé díry. A nebo objektů velmi vzdálených, ze kterých k nám jiné částice nedoputují. 

Musím přidat nutné varování, že objev se může nakonec rozplynout jako neutrino nad... vlastně čímkoliv. Zatím jde o ojedinělou událost, která není potvrzena s takovou spolehlivostí, jakou by si minimálně někteří vědci představovali. Autoři odhadují, že s pravděpodobností zhruba 1:740 mohlo zmíněné neutrino tedy mohlo prostě „letět kolem“. Je to malá pravděpodobnost, ale stále vyšší než například standard pro uznání objevu nové částice v částicové fyzice. 

Ovšem už nyní se zdá pravděpodobné, že 170922A není jediné neutrino, které k nám z onoho čtyři miliardy let vzdáleného blazaru dolétlo. Objevitelský tým se díval do záznamů z minulosti a v několika měsících na přelomu let 2014 a 2015 k nám ze stejné oblasti doputovalo výrazně více neutrin, než je obvyklé. Je možné, že TXS 0506+056 patrně prošel – a tedy nejspíše pravidelně prochází – obdobím zvýšené aktivity, které by znovu stálo za pozorování i jinými nástroji než detektorem IceCube.

Neutrinové detektory jsou jedny z nejzajímavějších a nejpůsobivějších vědeckých experimentů vůbec. Na tomto snímku vám nabízíme pohled do nitra detektoru Super-Kamiokande, který je určen mimo jiné i k detekci neutrin. Nádrž na snímku je naplněna superčistou vodou a její stěny pokryty desítkami tisíc světelných detektorů. Ty zachycují záblesky světla, které (poměrně vzácně) vznikají při srážce neutrina s elektrony ve vodě. Na snímku je nádrž během plnění.

Autoři IceCube  doufají, že nejde ani zdaleka o poslední objev. Zkušenosti z dosavadního provozu údajně naznačují, že antarktický led je až nečekaně průzračný. To znamená, že záření vznikající při brzdění z vesmíru přilétajících částic se ledem velmi dobře šíří a fotodetektory je dokážou zachytit na výrazně větší vzdálenost, než se původně předpokládalo. Jednotlivé prvky by tedy mohly být mnohem dále od sebe a stále fungovat stále velmi dobře.

Observatoř by se mohla při zachování plánovaného rozpočtu 280 milionů dolarů výrazně zvětšit, možná až na desetinásobek dnešního objemu. Výhledově by tedy IceCbube měla zachycovat více neutrin a s větší přesností než dnes.