Mapování extrémně energetických kosmických paprsků

Původ ultravysokoenergetického kosmického záření je záhada přetrvávající šest desetiletí. Zčásti je to způsobeno zcela nedostatečnou znalostí intenzity a struktury kosmického magnetického pole, které ovlivňují dráhy elektricky nabitých částic kosmického záření, což nám ve výsledku znesnadňuje ztotožnit jednotlivé detekce s jejich skutečným místem původu na obloze. Obě velké observatoře kosmického záření – Telescope Array umístěná v USA a Pierre Auger Observatory v Argentině – mohou během příštího desetiletí detegovat dostatečně velký počet událostí na nejvyšších energiích (nad 150 EeV = 1,5 × 10²⁰ eV), aby bylo možné upřesnit charakter zdrojů a současně se dozvědět více o mezigalaktických magnetických polích, která pohyb částic tak zásadně ovlivňují. Jde o ty objekty, které vykazují velmi proměnlivé chování v čase. Jedním příkladem takových zdrojů mohou být např. jednotlivé, vzácné, rychlé, přechodné události, jako jsou gama záblesky, kde je zpoždění mezi gama zábleskem a nabitými částicemi způsobeno vícecestným šířením k Zemi (obr. 1).

Stejně tak zajímavé jsou výtrysky z aktivních galaktických jader (obr. 2 na s. 68) nebo magnetary, tedy neutronové hvězdy s mimořádně silným magnetickým polem o intenzitě dosahující řádově 10¹¹ T (tesel). Energie částic zde až stonásobně přesahují hodnoty dosažitelné v největších pozemských urychlovačích. Autoři nově publikované studie ukazují, že dosud chybějící informaci o zdrojích a magnetických polích astrofyzikům poskytují ty částice kosmického záření, které jsou zaznamenány krátce po sobě a přitom přicházejí přibližně ze stejného směru.

Galaxie Centaurus A je jedním z horkých kandidátů na zdroje vysokoenergetických částic kosmického záření, které vznikají v nafialovělých lalocích s množstvím rázových vln (viz též rozhovor s Rogerem Blandfordem, jedním z autorů práce, na s. 76). Snímek: paprsky X: NASA, CXC, CfA, R. Kraft, et al.; radiové vlny: NSF, VLA, Univ. Hertfordshire, M. Hardcastle; viditelné světlo: ESO, WFI, M. Rejkuba, et al.

Schéma vzniku fázového posunu mezi trajektorií elektricky neutrální vs. nabité částice kosmického záření. Schéma podle DOI: 10.48550/arXiv.2210.15885

Otázka o původu ultraenergetických kosmických paprsků a mechanismu, kterým nabývají svou energii, zůstává i nadále jedním z otevřených problémů současné astročásticové fyziky. V oblasti, kde nejkonvenčnějšími možnostmi jsou rotující černé díry, relativistické rázové vlny a supersilná magnetická pole, jsou budoucí překvapení téměř garantována. Všechny zmíněné varianty trpí dosud nevysvětlenými nedostatky; jejich exotickými alternativami se mohou stát zcela nové částice. Autoři práce ukazují, že rozpoznat správné řešení bychom mohli s pomocí zlepšené statistické informace o energiích, časových poměrech a směrech příchodu jednotlivých částic.

N. Globus, A. Fedynitch, R. D. Blandford: Astrophys. J., 2022, v tisku, DOI: 10.48550/arXiv.2210.15885