Rozhovor s českým astrofyzikem o tom, jak studium gama záření propojuje fyziku částic s astronomií a odhaluje původ nejenergetičtějších jevů ve vesmíru

Studium gama záření z vesmíru nám poskytuje mnoho důležitých informací mimo jiné o vlastnostech jeho zdrojů, kterými může být i okolí černých děr, a právě proto představuje gama astronomie velmi významný vědní obor. Přesto není pozorování daného záření přímočaré, neboť atmosféra naší planety zůstává pro jeho fotony neprůhledná.

Gama astronomie stojí na pomezí astronomie, astrofyziky a částicové fyziky. Jak se uvedené vědní obory při výzkumu vysokoenergetického gama záření z vesmíru prolínají?

Gama fotony ve vesmíru vznikají při interakcích částic urychlených na velmi vysoké energie s okolní hmotou či s magnetickými poli. Částicová fyzika nám říká, jak k těmto interakcím dochází a jaké další částice při nich vznikají. Astrofyzika dané elementární obrázky skládá do širších celků a umožňuje nám pochopit, jak přesně vypadají ony objekty, jež gama záření vysílají – například okolí černých děr či různé mlhoviny.

Astronomie se potom zabývá observačními aspekty a metodami zpracování dat, které je však také provázané s astroinformatikou. Ta nám dává nástroje pro správu obrovských datových objemů, jež na denní bázi produkují všechny velké observatoře.

Částicová fyzika hraje zároveň důležitou roli při vývoji detekčních metod pro gama astronomii. Částicové detektory v urychlovačích, velké experimenty na hledání částic vesmírného záření i ty, které odhalují kosmické gama fotony, totiž využívají stejné detekční techniky.

Problém jménem atmosféra

Co představuje při výzkumu vysokoenergetického gama záření hlavní cíl?

Pozorováním kosmických objektů v gama oboru hledáme odpovědi na celou řadu klíčových astrofyzikálních otázek. Já konkrétně bych rád přispěl k objasnění jednoho z největších otazníků astročásticové fyziky, kterým je bezpochyby původ galaktického kosmického záření, tvořeného zejména protony urychlenými na velmi vysoké energie. Naše Galaxie je jimi doslova prostoupená a v každém okamžiku bombardují Zemi ze všech směrů.

S nabitými částicemi je však potíž, protože se jejich trajektorie stáčí v magnetických polích v Galaxii, takže si nemůžeme být jistí, odkud přesně přiletěly. Jak již zaznělo, vznik gama fotonů a nabitých částic spolu úzce souvisí: Studiem astrofyzikálních procesů vyzařujících gama fotony, které na rozdíl od nabitých částic neovlivňuje magnetické pole, tudíž můžeme nalézt také potenciál­ní zdroje nabitých částic kosmického záření. Pro uvedený účel jsou však nejzajímavější fotony těch nejvyšších energií nad sto teraelektronvoltů, jejichž detekce má svá specifika.

Zemská atmosféra je pro gama fotony téměř neprostupná. Jakým způsobem lze tedy gama záření z vesmíru detekovat?

Na rozdíl od fotonů viditelného světla, které můžeme na Zemi pozorovat klasickými dalekohledy, se fotony záření gama až k povrchu naší planety většinou nedostanou a pohltí je atmosféra. Jednu z možností, jak je detekovat, nabízí vypuštění satelitu na oběžnou dráhu. Aktuálně funguje například družice Swift s experimentem BAT, který slouží ke včasné detekci záblesků gama a k následnému informování dalších observatoří, aby mohly hledat protějšky na ostatních vlnových délkách.

Další významná družice Fermi nese gama dalekohled LAT, skenující celou oblohu v přehlídkovém režimu. Od svého vypuštění v roce 2008 objevila již celou řadu zajímavých objektů, například takzvané Fermiho bubliny čili obrovské oblasti nad rovinou Galaxie a pod ní. Za jejich vznik zřejmě vděčíme období zvýšené aktivity centrální černé díry v naší Galaxii někdy v minulosti.

Na lovu částic

Pokud bychom se zajímali o gama fotony těch nejvyšších energií, vystačili bychom si pouze s družicovými observatořemi?

Jelikož je tok takových fotonů příliš nízký a detekční objem družic příliš malý, nedokázali bychom získat dostatečnou statistiku v rozumně krátkém čase. A právě proto přichází na pomoc další metody detekce, jimiž se zabýváme na oddělení Astročásticové fyziky na Fyzikálním ústavu Akademie věd.

Jaké observatoře máme tedy k detekci gama fotonů nejvyšších energií na Zemi k dispozici?

K jejich pozorování používáme zajímavý trik. Jak jsem již zmínil, gama fotony neproniknou zemskou atmosférou, ale při jejich interakcích s jádry atomů vysoko v ovzduší vzniká mnoho sekundárních nabitých částic a také fotonů s vlnovými délkami v oblasti viditelného světla. Říkáme, že se generují takzvané spršky sekundárních částic. Tyto částice a fotony již dokážou proniknout až k Zemi, kde je pak můžeme zachytit pomocí částicových detektorů anebo dalekohledů.

Jinými slovy uvedené dalekohledy nevidí přímo zdroje záření na obloze. Co tedy ve skutečnosti pozorují?

Skutečně nepozorují přímo zdroje záření, tak jak jsme zvyklí například z optické astronomie, ale záření generované sekundárními částicemi v atmosféře. Jedná se o takzvané Čerenkovovo záření, vznikající při pohybu nabité částice daným médiem vyšší rychlostí, než je rychlost světla v uvedeném médiu, a proto jim říkáme čerenkovské dalekohledy. Obvykle se stavějí v nadmořských výškách kolem dvou a půl tisíce metrů, kvůli lepším atmosférickým podmínkám a vysokému počtu jasných nocí.

Další možností je zachytit nabité sekundární částice v částicových detektorech, kterými se typicky pokryje velká plocha o rozloze až několika kilometrů čtverečních. Musejí se však umístit ještě výš, takže se nacházejí na náhorních planinách ve výškách kolem čtyř a půl tisíce metrů.

Je pozorování čerenkovskými dalekohledy vhodnější či lepší než pomocí družic?

Jejich výhoda oproti přímé detekci družicovou observatoří spočívá v tom, že nabité částice a optické fotony generované každým gama fotonem dopadají na velkou plochu na Zemi, což vede k velké detekční ploše pozemních dalekohledů. Sekundární částice můžeme zkrátka vidět i z poměrně velké dálky, což nám umožňuje takto pozorovat gama fotony těch nejvyšších energií, kterých je málo. Díky velké detekční ploše jich pak můžeme pozorovat dost na to, abychom dokázali udělat nějaké fyzikální závěry.

Nižší může být lepší

Kde v současné době čerenkovské observatoře fungují? A jak vypadá snímek oblohy v gama oboru?

Snímek oblohy v gama oboru je výsledkem složité rekonstrukce, kde se snažíme získat informace o primárním gama fotonu z obrázku Čerenkovova záření generovaného sekundárními částicemi ve spršce. Pro dané snímkování lze využít čerenkovské observatoře H.E.S.S., MAGIC a VERITAS, a také částicové detektory HAWC a LHAASO. 

Na Fyzikálním ústavu se nyní podílíme na přípravě budoucí největší čerenkovské observatoře CTAO neboli Cherenkov Telescope Array Observatory a rovněž velkého částicového detektoru SWGO čili Southern Wide-field Gamma-ray Observatory.

Dvojice takových teleskopů byla instalována i na Astronomickém ústavu v Ondřejově, v nadmořské výšce 510 metrů. Není to příliš nízko?

Na observatoři v Ondřejově v současné době stojí dvojice dalekohledů SST-1M, které provozujeme společně s kolegy z Astronomického ústavu a z Univerzity Palackého v Olomouci, a zároveň spolupracujeme s kolegy z polských a švýcarských institucí. Observatoř v Ondřejově jsme vybrali jako jakousi dobře dostupnou přechodnou stanici, kde můžeme teleskopy otestovat po technické stránce, než je přesuneme na finální lokalitu, a neočekávali jsme příliš mnoho.

Poměrně brzy se však ukázalo, že i přes nepříliš vhodné počasí je malá nadmořská výška velmi výhodná pro detekci gama fotonů těch nejvyšších energií. Naše výpočty doložily, že na energiích větších než zhruba padesát teraelektronvoltů provozujeme v současné době nejcitlivější čerenkovské teleskopy na světě. A již nyní se nám podařilo shromáždit řadu zajímavých fyzikálních výsledků, které brzy vyjdou v odborných časopisech.

Testování na ostrově

Mezi moderní čerenkovské teleskopy, na kterých pracujete, patří i takzvaný Large-Sized Telescope neboli LST-1. Kde se nachází?

LST-1 představuje první funkční dalekohled budoucí observatoře CTAO a nachází se na ostrově La Palma v nadmořské výšce dva a půl tisíce metrů. Na Fyzikálním ústavu jsme do jeho provozování zapojeni společně s dalšími institucemi.

Dá se ovládat i na dálku, nebo musíte být přímo na místě?

Než se dalekohled LST-1 stane součástí observatoře CTAO, pracuje stále v testovacím režimu, a abychom se ujistili, že vše funguje správně, musíme být na místě. Takže se na La Palmě s ostatními astronomy střídáme v třítýdenních turnusech, během nichž můžeme ve volných chvílích obdivovat i krásy tohoto fascinujícího sopečného ostrova. Za sebe musím říct, že tak nádherné západy a východy Slunce jako z Roque de Los Muchachos – což je vrchol kaldery, blízko jejíhož okraje dalekohled stojí – jsem nikde jinde neviděl.

Podařilo se vám již s LST-1 dosáhnout nějakých zajímavých výsledků?

Přestože zatím funguje pouze v testovacím provozu a jeho citlivost je dosud poměrně malá ve srovnání s plným výkonem budoucí CTAO, již nyní konkuruje stávajícím čerenkovským observatořím, a nám se tak daří dosahovat vynikajících vědeckých výsledků. Jedná se například o pozorování historicky nejjasnějšího gama záblesku GRB 221009A či objev emise v gama oboru u nejvzdálenější aktivní galaxie OP 313, která leží osm miliard světelných let od Země.

CTAO představuje další krok ve zkoumání nejextrémnějších zdrojů gama záření ve vesmíru. Pomůže vědcům při odhalování záhad supermasivních černých děr, urychlování částic kosmického záření, a dokonce se pokusí vnést světlo do původu temné hmoty. Navíc jako první observatoř tohoto typu poskytne část pozorovacích dat otevřené astronomické komunitě.

Obří nášup energie

Zmiňované záblesky tvoří významný kosmický zdroj záření gama. O jaké jevy se jedná?

Gama záblesky představují nejenergetičtější jevy ve vesmíru, které si lze jen těžko představit. Během pár sekund se v nich uvolní tolik energie jako ve Slunci za celou dobu jeho existence. Pozorujeme jak krátké gama záblesky ve zlomcích sekundy, tak dlouhé, které mohou trvat až jednotky hodin. Protože jsou na obloze rozděleny rovnoměrně, víme, že se jejich původci nacházejí velmi daleko od naší Galaxie, což znamená pro život na Zemi dobrou zprávu.

Krátké gama záblesky mají nejspíš původ v kolizi dvou neutronových hvězd, které kolem sebe obíhají a tvoří dvojhvězdný systém. Postupně však ztrácejí energii vyzařováním gravitačních vln, až nakonec splynou v mohutné explozi. Dlouhé gama záblesky potom podle nejvíc přijímaných teorií provázejí zánik velmi hmotných hvězd a jde o průvodní jev supernov. Přesným procesům, jež ke generování energetického gama záření vedou, však stále nerozumíme.

Objev gama záblesků se pojí s obdobím studené války. Jak k němu došlo?

K objevu došlo v šedesátých letech ve velmi napjaté atmosféře mezi tehdejšími mocnostmi. Američané vypustili na oběžnou dráhu družicový systém Vela, který měl detekovat charakteristické pulzy gama záření vznikající při nukleárním výbuchu. Satelity měly monitorovat, zda Sověti dodržují dohodu o částečném zákazu jaderných zkoušek z roku 1963, která zakazovala jakékoliv testy jaderných zbraní kromě podzemních výbuchů.

Výzkum gama záření z vesmíru se v té době nacházel v plenkách. Díky prvním experimentům se však už vědělo, že k nám z kosmu nějaké gama záření přichází – například z některých slunečních erupcí. Přesto krátké intenzivní záblesky pozorované družicemi Vela, jež oproti očekávaní neměly pozemský původ, vědce zaskočily. Původně dokonce data vyhodnotili jako chybu přístrojů, a přestože k první detekci došlo již v roce 1967, výsledek byl publikován teprve o šest let později, po zaznamenání několika dalších podobných událostí.

Co vše o gama záblescích již nyní víme? A můžeme je pozorovat i přímo ze Země?

Jak už zaznělo, jde o nejenergetičtější události ve vesmíru, ale zároveň jsou od nás vzdálené miliardy světelných let. Vznikají při nich výtrysky částic, které jsou urychlené téměř na rychlost světla a do nichž se soustředí většina energie, a ty potom vyzařují tvrdé fotony záření gama. Na Zemi můžeme gama záblesk pozorovat, pouze pokud jeden z výtrysků míří na nás. Pravděpodobnost, že k tomu dojde někde blízko, je tudíž poměrně malá.

Smrtící záření. Doslova

Jak často dnes gama záblesky pozorujeme?

Satelity na oběžné dráze detekují přibližně jeden za den. U některých se podaří pozorovat i protějšek na jiných vlnových délkách pomocí pozemních dalekohledů, které se dokážou velmi brzy po družicové detekci zaměřit do požadovaného směru. Díky těmto pozorováním dnes již máme poměrně dobrou představu o původu popsaných jevů.

Co gama záblesky znamenají pro naši planetu? Nemohou nás nějak ohrozit?

Pokud by k uvedenému jevu došlo v naší Galaxii a výtrysk nabitých částic by směřoval k Zemi, pravděpodobně by to mělo pro zdejší život katastrofické následky. Dokonce existuje hypotéza, že jedno z velkých vymírání na konci ordoviku před 440 miliony lety má na svědomí právě gama záblesk, který zřejmě provázel zánik některé hmotné hvězdy v Galaxii.

Co by se konkrétně stalo, pokud by energie gama záblesku směřovala k Zemi?

Taková událost by významně poškodila vrstvu ozonu v atmosféře, což by organismy vystavilo extrémním dávkám UV záření a mohlo by to vést až k vyhynutí většiny živých forem. Každopádně můžeme zopakovat, že pravděpodobnost podobné události v dohledné době je opravdu mizivá. Dokonce se zdá, že ani naši nejbližší hvězdní sousedé nemají potenciál při svém budoucím zániku vytvořit takto energetický gama záblesk.

Od techniky k astrofyzice

Jak jste se k výzkumu záření těch nejkratších vlnových délek dostal?

Moje cesta k astrofyzice vysokých energií nebyla přímočará, ale zcela konkrétně si vybavuju zásadní moment, který mě přivedl ke studiu astronomie. Jednalo se o pozorování Jupitera a galileovských měsíců na hvězdárně v Ostravě, kam jsem začal docházet na základní kurz astronomie pod vedením Martina Viláška. Tam nastal podstatný zlom, kdy jsem se rozhodl pro studium astrofyziky.

V té době jste ovšem studoval biomedicínskou techniku na Vysoké škole báňské v Ostravě, kde na vás kousek od kampusu vykukovala za lesem hvězdárna a planetárium…

Na biomedicínské inženýrství mě zavedl především zájem o techniku. Přestože pro mě bylo studium kombinující biologii s technikou nesmírně zajímavé, stále víc mě to táhlo k fyzice. Mezi moje nejoblíbenější přednášky patřil výborně vedený kurz fyziky ionizujícího záření doktora Ullmanna, u kterého jsem také vypracoval bakalářskou a později diplomovou práci na tomtéž oboru. A pak ta hvězdárna… Během dlouhých nocí strávených u dalekohledu jsem si postupně utřídil priority a v roce 2011 jsem se rozhodl pokračovat ve studiu astrofyziky na Slezské univerzitě.

Rozumím tomu dobře, že jste v té době studoval dvě vysoké školy?

Ano, a bylo to poměrně vyčerpávající. Blízkost Slezské univerzity k Ostravě mi sice umožnila současně dálkově dostudovat biomedicínské inženýrství, ale živě si vybavuju, jak jsem se při čekání na státnice na Vysoké škole báňské před učebnou připravoval na zkoušku z teoretické mechaniky v Opavě.

Navíc jste záhy nastoupil na „matfyz“. Takže třetí vysoká škola v pořadí, nebo všechny naráz?

Studium v Opavě bylo zaměřené spíš teoreticky, a já potřebuju ke štěstí práci se skutečnými daty. Proto jsem na zmíněný obor v roce 2014 navázal magisterským studiem astronomie na Matematicko-fyzikální fakultě Univerzity Karlovy, kde jsem se zabýval optickou astronomií, konkrétně vícenásobnými hvězdnými soustavami. Ale teprve při doktorském studiu od roku 2016 jsem dostal příležitost se na Fyzikálním ústavu zapojit do vývoje dalekohledů SST-1M.

Ženevská mise

V roce 2020 jste dostal pozvání na Ženevskou univerzitu do skupiny profesora Rolanda Waltera a začal jste tam pracovat na jednom z největších čerenkovských dalekohledů. Jakému výzkumu jste se věnoval?

Šlo o vývoj metod zpracování dat z dalekohledu LST-1 za použití pokročilých metod umělé inteligence. Také jsem se začal věnovat fyzikálním procesům v takzvaných jetech, což jsou výtrysky vysoce urychlených částic, které vznikají v blízkosti velmi masivních černých děr některých galaxií; a také mechanismům produkce gama záření v kosmických urychlovačích částic vesmírného záření.

Po dvou letech v Ženevě jste se vrátil na Fyzikální ústav, kde nyní pracujete na projektech dalekohledů SST-1M a LST-1. Co považujete za svůj dosavadní největší vědecký výsledek?

Ještě v Ženevě jsem vedl studii jednoho záhadného zdroje gama záření, založenou na datech z dalekohledu Large-Sized Telescope 1. Nakonec vyšla v renomovaném časopise jako úplně první vědecký článek LST-1 kolaborace a ukázala, že od nového dalekohledu LST-1 a celé observatoře CTAO můžeme v budoucnu čekat velké věci. 

Po návratu na Fyzikální ústav jsem sestavil skupinu zabývající se gama astronomií, v níž máme řadu vynikajících pracovníků a studentů. Za náš zatím největší úspěch považuju, že se nám ve velmi krátkém čase podařilo vytvořit komplexní software pro zpracování dat z dalekohledů SST-1M, a nyní již připravujeme publikace o prvních fyzikálních výsledcích.