Vědci poprvé zachytili kosmický šepot v antarktickém ledu: Klíč k odhalení nejvzácnějších částic vesmíru
InovaceDetektor hluboko pod antarktickým ledem poprvé experimentálně zachytil předpovídaný, ale dosud nepozorovaný jev: rádiové pulzy vznikající, když vysokoenergetické kosmické záření narazí do ledovce a spustí v něm kaskády částic.
Detektor hluboko pod antarktickým ledem poprvé experimentálně zachytil předpovídaný, ale dosud nepozorovaný jev: rádiové pulzy vznikající, když vysokoenergetické kosmické záření narazí do ledovce a spustí v něm kaskády částic. Astronomové z kolaborace Askaryan Radio Array (ARA) tímto výsledkem, publikovaným v Physical Review Letters, potvrdili klíčovou techniku, která jim v budoucnu umožní detekovat některé z nejvzácnějších a nejenergetičtějších částic ve vesmíru.
Jev, známý jako Askaryanovo záření, předpověděl v roce 1962 sovětský fyzik Gurgen Askaryan. Předpokládal, že vysokoenergetické částice procházející hustým materiálem by měly produkovat charakteristický záblesk rádiových vln. Když taková částice narazí na atom, spustí kaskádu sekundárních částic, která shromažďuje elektrony z okolního materiálu a vytváří negativně nabitou sprchovou frontu vyzařující na rádiových frekvencích. Toto záření bylo později potvrzeno v laboratorních experimentech a detekováno ve vzduchu, avšak jeho pozorování v ledu se ukázalo být mnohem náročnější, částečně kvůli obtížnosti odlišení skutečných signálů od mnoha zdrojů rádiového šumu v polárních oblastech a částečně proto, že simulace potřebné k modelování efektu v ledu se teprve nedávno staly dostatečně sofistikovanými pro takto rigorózní analýzu.
Askaryanovo rádiové pole (ARA), umístěné poblíž jižního pólu, je navrženo přesně s ohledem na tuto výzvu. Skládá se z pěti stanic, z nichž každá je vybavena rádiovými anténami zapuštěnými 150 až 200 metrů do kanálů vyvrtaných v ledu, rozprostřených na ploše přibližně 2 kilometry široké. Během 208denní pozorovací kampaně v roce 2019 tým ARA zaznamenal 13 anomálních událostí: impulzivní rádiové signály přicházející zpod povrchu ledu, jejichž původ byl zpočátku nejasný. Pomocí nově dostupných simulačních nástrojů se vědci pustili do určování, zda tyto události byly skutečnými Askaryanovými signály, nebo výsledkem rušení pozadí z jiných zdrojů, jako je radar letadel nebo rádiová komunikace z nedaleké stanice Amundsen-Scott na jižním pólu.
Analýza ukázala, že charakteristiky signálů – jejich směr příchodu, frekvenční obsah, tvar vlny a orientace jejich elektrických polí – se shodovaly s předpověďmi pro Askaryanovo záření produkované kosmickým zářením dopadajícím na led. Pravděpodobnost, že všech 13 událostí by mohlo být vysvětleno pouze šumem pozadí, byla menší než jedna ku 3,5 milionu, což představuje statistickou významnost 5,1 sigma – výrazně nad prahem běžně požadovaným pro prohlášení objevu. Tento objev má přímé důsledky pro primární misi detektoru: pátrání po ultra-vysokoenergetických kosmických neutrinech. Jelikož signály vyvolané neutriny v ledu vypadají téměř identicky jako ty z kosmického záření, tento výsledek potvrzuje, že detektor funguje podle očekávání. Klíč k rozlišení obou spočívá v geometrii: kosmické záření dosáhne pouze do mělké vrstvy ledu, zatímco neutrina mohou proniknout hluboko a vytvářet signály ze strmějšího úhlu. S brzkým očekáváním nového uvolnění dat, které pokryje všech pět stanic ARA za několik let, tým ARA nyní předpokládá až sedm kandidátních událostí neutrin.