Článek
Na jižním pólu stojí observatoř, která nemá zrcadlo, čočku ani kopuli. Její nejdůležitější část dokonce není vůbec vidět. Začíná zhruba kilometr a půl pod nohama a pokračuje hluboko do antarktického ledu. V krychlovém kilometru téměř průzračného ledu je rozmístěno 5 160 světelných senzorů, které čekají na velmi nepravděpodobnou událost: že částice schopná cestovat vesmírem skoro bez povšimnutí právě tady udělá něco, co dělá opravdu nerada – zareaguje s hmotou.
Tou částicí je neutrino. A mužem, který pomohl proměnit antarktický led v jeden z nejpodivuhodnějších přístrojů moderní astronomie, je belgicko-americký fyzik Francis Halzen. Právě jemu dnes Královská švédská akademie věd udělila Nobelovu cenu za fyziku za rozhodující příspěvky k neutrinové observatoři IceCube a za objev vysokoenergetických neutrin astrofyzikálního původu.
Částice, které námi právě teď procházejí
Neutrina jsou elementární částice bez elektrického náboje a s velmi malou hmotností. Vznikají při jaderných reakcích, v nitru Slunce, v zemské atmosféře i při některých z nejenergetičtějších dějů ve vesmíru. A jsou všude. Obrovské množství neutrin ze Slunce proletí každou sekundu i naším tělem, aniž bychom si čehokoli všimli. Není to tím, že bychom byli překvapivě průhlední. Neutrina jsou jednoduše mimořádně neochotná reagovat s hmotou.
A právě to je současně jejich největší přednost i největší prokletí. Pro fyzika, který chce neutrino zachytit, je taková částice téměř ideální způsob, jak si zkomplikovat kariéru. Pro astronoma je naopak mimořádně cenným poslem. Světlo se může cestou pohltit nebo rozptýlit, nabité částice kosmického záření zase odchylují magnetická pole, takže při příletu k Zemi už nemusí ukazovat zpět ke svému zdroji. Neutrino elektrický náboj nemá a s hmotou interaguje jen velmi slabě. Dokáže proto cestovat obrovské vzdálenosti téměř nerušeně a přinést informaci o místě, odkud přiletělo. Je to trochu jako mít svědka, který viděl všechno, co měl, byl ve správný čas na správném místě a nikdo by mu do výpovědi nezasahoval. Má to jedinou drobnou vadu: svědek téměř zásadně odmítá vypovídat.
Jak chytit něco, co se chytit nechce
Kdyby neutrino ochotně reagovalo s hmotou, stačil by poměrně malý detektor. Jenže většina neutrin hmotou proletí bez interakce. Chceme-li tedy zvýšit šanci, že se některé z nich přece jen prozradí, potřebujeme obrovský detekční objem. A když potřebujete opravdu hodně průhledné hmoty, můžete ji draze vyrobit – anebo se rozhlédnout po planetě a zjistit, že na jižním pólu jí leží poněkud větší zásoba.
IceCube Neutrino Observatory využívá přibližně krychlový kilometr mimořádně čistého antarktického ledu. Na 86 vertikálních kabelech je v něm zamrzlých 5 160 digitálních optických modulů, přibližně 1 450 až 2 450 metrů pod povrchem. Nejsou to fotoaparáty, které by si kolem prolétající neutrino jednoduše vyfotily. Jsou to nesmírně citlivé oči čekající na světlo, které po sobě vzácná interakce neutrina zanechá. Samotné neutrino totiž IceCube přímo nevidí. Čeká na následky jeho setkání s hmotou.
Při takové interakci mohou vzniknout elektricky nabité částice. Pokud se nabitá částice pohybuje ledem rychleji, než se v ledu šíří světlo, vzniká charakteristické Čerenkovovo záření – slabý namodralý záblesk. Tady je důležitá fyzikální pojistka: Einstein může zůstat v klidu. Částice nepřekonala rychlost světla ve vakuu. Světlo se v ledu šíří pomaleji než ve vakuu, takže ho nabitá částice může v tomto prostředí předběhnout, aniž by porušila speciální teorii relativity.
Představit si to lze trochu jako sonický třesk. Letadlo, které se pohybuje rychleji než zvuk ve vzduchu, vytvoří rázovou vlnu. Rychlá nabitá částice v průhledném prostředí může vytvořit světelnou obdobu tohoto jevu. A právě na takové světlo čeká více než pět tisíc očí zamrzlých v místě, kde by si člověk dobrovolně nezapomněl ani rukavice, natož vědecký přístroj dva kilometry pod povrchem.
Z několika záblesků zpátky k obloze
Senzory zaznamenají, které z nich světlo zachytily, kolik ho bylo a především kdy k jednotlivým modulům dorazilo. Z prostorového a časového vzorce pak fyzikové rekonstruují průběh události a podle jejího typu mohou odhadovat energii neutrina i směr, ze kterého přiletělo.
IceCube tedy není dalekohled v běžném smyslu. Nikdo se do něj nepodívá okulárem a neuvidí vzdálenou galaxii. Dokonce ani přímo nepozoruje částici, kterou hledá. Zachytí stopy po její vzácné interakci a z nich zpětně skládá příběh. Trochu jako kdybychom se pokoušeli zjistit, odkud přiletěla kulka, jen podle toho, v jakém pořadí zaznamenaly její průlet tisíce mikrofonů rozmístěných v krajině. Jen místo zvuku máme světlo měřené s mimořádnou časovou přesností a místo kulky částici, která mohla přiletět z nepředstavitelné dálky.
Ani pak ale nemají fyzikové vyhráno. V zemské atmosféře vznikají při dopadu kosmického záření miony i neutrina a detektor proto musí oddělit hledané astrofyzikální události od obrovského množství pozadí. IceCube je tak trochu astronomická detektivka naruby: pachatele nikdo neviděl, místo činu leží možná miliardy světelných let daleko a policie má k dispozici pár modrých záblesků v ledu. Přesto z nich dokáže vyčíst překvapivě mnoho.
Bert a Ernie přiletěli z vesmíru
První velké překvapení přišlo krátce po dokončení IceCube. V datech se objevily dvě mimořádně energetické neutrinové události. Vědci jim s odzbrojující vědeckou důstojností začali říkat Bert a Ernie – podle postaviček ze Sezamové ulice. Bert byl zaznamenán v srpnu 2011 a Ernie v lednu 2012. Oba patřili do oblasti energií kolem jednoho petaelektronvoltu, tedy 10¹⁵ elektronvoltů. Na jedinou elementární částici jde o mimořádnou energii.
Bert s Erniem ještě na velké oznámení nestačili. Byli ale velmi podezřelí. V roce 2013 přišla analýza většího souboru 28 vysokoenergetických neutrinových událostí. Jejich počet a vlastnosti už nebylo možné dobře vysvětlit pouze očekávaným atmosférickým pozadím. Objevila se přesvědčivá evidence nové složky: vysokoenergetických neutrin přicházejících z vesmíru.
Právě tady se z mimořádného částicového experimentu začal stávat nový druh astronomie. Po většinu lidských dějin jsme vesmír sledovali prostřednictvím světla. Nejdřív vlastníma očima, potom optickými dalekohledy a nakonec v celém elektromagnetickém spektru – pomocí rádiových vln, infračerveného, ultrafialového, rentgenového nebo gama záření. IceCube se na něj dívá něčím úplně jiným. Nepozoruje světlo vesmíru. Zachytává jeho částice.
Jedna zpráva z galaxie vzdálené miliardy světelných let
Další slavný okamžik přišel 22. září 2017. IceCube zachytil vysokoenergetické neutrino a automatický systém rozeslal astronomům upozornění s jeho přibližným směrem. Místo aby si fyzikové objev nechali pro sebe, v podstatě zakřičeli přes celý astronomický svět: podívejte se tamhle. A řada dalších přístrojů se skutečně podívala.
Pozornost se soustředila na blazar s nepříliš romantickým jménem TXS 0506+056, který byl právě v období zvýšené aktivity v gama záření. Blazar je aktivní jádro vzdálené galaxie se supermasivní černou dírou, přičemž jeden z mohutných výtrysků částic z jejího okolí míří téměř naším směrem. Taková prostředí patří mezi kandidáty na kosmické urychlovače schopné dostávat částice na energie, o kterých si naše pozemské urychlovače mohou nechat zdát.
Následná pozorování mnoha přístrojů a zpětná analýza starších dat IceCube poskytly silné důkazy, že TXS 0506+056 je potenciálním zdrojem vysokoenergetických neutrin. Není přesné tvrdit, že vědci vzali jednu částici a s absolutní jistotou jí našli adresu bydliště. Ve skutečnosti udělali něco vědečtějšího a možná i zajímavějšího: poskládali několik nezávislých stop, které začaly ukazovat stejným směrem.
A právě tady se naplno ukázala síla nového způsobu pozorování vesmíru. IceCube zachytil neutrino, zatímco jiné observatoře sledovaly stejnou oblast pomocí gama záření, rentgenového, optického či rádiového světla. Je to trochu, jako kdyby k jedné události místo jediného svědka najednou vypovídalo několik lidí, kteří ji každý viděli úplně jinak. Tomu se říká mnohoposlová neboli multimessenger astronomie. A neutrina do ní přinesla nový druh zprávy.
Proč kvůli tomu Nobelova cena
Francis Halzen neutrino neobjevil. Existence této částice byla navržena už na začátku 30. let minulého století a experimentálně potvrzena v roce 1956. Ani IceCube samozřejmě nepostavil vlastníma rukama – observatoř je výsledkem práce rozsáhlé mezinárodní spolupráce. Nobelova cena však oceňuje Halzenovu zásadní roli při vzniku myšlenky a rozvoji experimentu, který dokázal vysokoenergetická neutrina proměnit v nový nástroj astronomie.
Už koncem 80. let se Halzen podílel na úvahách o využití hlubokého polárního ledu k detekci vysokoenergetických neutrin. Předchůdce IceCube, experiment AMANDA, později ukázal, že antarktický led lze jako detekční prostředí skutečně použít. IceCube pak tuto myšlenku dotáhl do měřítka, které při vyslovení nahlas stále zní trochu jako chyba v projektu: přibližně krychlový kilometr přírodního ledu proměněný ve vědecký přístroj.
A ono to fungovalo. Podařilo se tím pádem otevřít další cestu, jak získávat zprávy z vesmíru prostřednictvím něčeho, co se právě díky své téměř přízračné netečnosti dokáže dostat z kosmických zdrojů až k nám.
Běžný dalekohled čeká, až k němu dorazí světlo. IceCube čeká, až jedna téměř nepolapitelná částice dorazí k Zemi a udělá něco, co dělá jen velmi nerada: zareaguje s hmotou. Hluboko pod antarktickým povrchem se pak objeví světlo, tisíce senzorů ho zaznamenají a fyzikové z několika záblesků začnou skládat zprávu o ději, který se mohl odehrát v nepředstavitelné vzdálenosti.
https://www.nobelprize.org/
https://icecube.wisc.edu/science/research
https://icecube.wisc.edu/data-releases/2018/07/icecube-data-from-2008-to-2017-related-to-analysis-of-txs-0506056
https://www.irozhlas.cz/veda-technologie/veda/nobelovu-cenu-za-fyziku-ziskal-astrofyzik-francis-halzen-za-objev_2610061202_cen
https://www.osel.cz/13918-co-nam-rika-detekce-neutrina-s-extremni-energii-o-nasem-vesmiru
