Záře vznikla díky plazmatickým ohnivým koulím a odvážné myšlence.
Vědci využili Super Protonový Synchrotron CERNu a halu HiRadMat k napodobení trysky podobné blazaru a sledovali chování částic. Zaměřili se na záhadu, která v astronomii trvá desítky let: proč ty nejsilnější gama paprsky předpovídané v blízkosti některých galaktických jader často nedorazí.
Proč gama paprsky mizí
Blazary se nacházejí v centrech aktivních galaxií a obsahují superhmotné černé díry. Tyto motory nasávají hmotu z okolí a vysílají dvojici částicových trysek relativistickou rychlostí. Když jedna tryska směřuje téměř přímo k nám, emise zesílí díky Dopplerovu zesílení. Dalekohledy pak snímají záření od rádiových vln až po gama paprsky. Teorie však předpokládá, že některé blazary by měly produkovat více vysoce energetických gama fotonů, než pozorujeme.
Kde tyto fotony mizí? Mnoho modelů ukazuje na vznik kaskád párů. Velmi energetický gama paprsek se srazí s rozptýleným pozadím světla rozprostřeným mezi galaxiemi. Taková srážka může vytvořit elektron a pozitron. Ti následně znovu zesílí okolní fotony na gama energetickou úroveň, čímž vzniká sekundární záření, které by mělo dorazit k našim teleskopům.
Přesto signál přichází slabší, než se předpokládalo. Diskuse dominují dvě teorie. Buď všudypřítomné magnetické pole hluboko ve vesmíru odklání a rozptyluje kaskádu, nebo se paprskové páry rozpadnou kvůli plazmatickým nestabilitám, což vede ke ztrátě energie, než může dojít k znovuzáření.
Jak vytvořit trysku na stole
Tým vedený z Oxfordu přeměnil tuto debatu v řízený experiment. Vyslali svazek představující pár elektron–pozitron do jedno metr dlouhého plazmatu a sledovali jeho tvar, rychlost a vlastní pole. Zařízení HiRadMat zajišťuje bezpečné doručení intenzivních svazků na materiální cíle. To umožnilo zkoumat mikrofyziku za vznikem kaskády přímo, namísto pouhého vyvozování z pozorování oblohy.
- Zařízení: Super Protonový Synchrotron CERNu napájí oblast ozáření HiRadMat.
- Analog: relativistický svazek podobný párům injektován do plazmatického sloupce dlouhého asi metr.
- Cíl: sledovat plazmatické nestability, které by mohly vyčerpat energii a rozptýlit částice.
- Diagnostika: měření profilu trysky a magnetických polí vzniklých uvnitř plazmatu.
V laboratoři zůstal pár svazek překvapivě stabilní — bez turbulence, výrazné ztráty energie či rozpadu.
Výsledek je zásadní. Pokud by nestability dominovaly, tryska by se zdeformovala, vyvolala silná vnitřní pole a rychle ztratila energii. Tým však pozoroval téměř lineární, dobře vyrovnaný proud skrz vybudovanou plazmatickou sekci. Mohli tak přímo otestovat teorii „nejdříve nestabilita“ a vidět její selhání.
Dvě soupeřící teorie, jeden jasný lídr
Negativní výsledek pro nestability posouvá váhu na druhou možnost: mezihvězdné magnetické pole. Slabé, rozsáhlé magnetické pole může zakřivovat elektronovo-pozitronové páry na miliony světelných let. Toto ohnutí rozostří sekundární gama signál po obloze a prodlouží jeho příchodové časy. Teleskopy zaměřené na blazar tak mohou část emisí zmeškat nebo ji zaznamenat jako rozmazaný halo, místo ostrého bodu.
Nejjednodušší interpretace: slabé a všudypřítomné magnetické pole na obrovských vzdálenostech stáčí kaskádu z naší přímé linie pohledu.
Tento výklad je v souladu s limity stanovenými z vesmírných i pozemních gama teleskopů za posledních deset let. Nepotřebuje exotickou částicovou fyziku a ukazuje na původ magnetismu starší než samotné galaxie a kupy galaxií.
Co by znamenalo primordialní magnetické pole
Pozadí magnetického pole vyvolává rozsáhlejší otázku: co ho vlastně zapnulo? Řada astrofyziků zastává názor, že semena tohoto pole vznikla v prvních okamžicích po Velkém třesku. Tato semena se pak zesílila během růstu struktur, ovlivnila proudění plynu a vznik prvních hvězd. Jiní předpokládají, že pole vzniklo později díky šokovým procesům v prvních filamentárních strukturách hmoty, kde energetické kaskády vyvolaly slabá pole.
Obě možnosti jsou stále otevřené. Nový laboratorní výsledek zužuje seznam možností tím, že ukazuje, že beamové nestability za kontrolovaných podmínek, simulujících klíčové parametry, kaskádu lehce nevymažou. To posouvá teorii směrem k již existujícímu poli mezi galaxiemi, nikoliv k polím tvořeným přímo v rámci kaskády.
Jak postupoval experiment
Laboratorní astrofyzika převádí obtížně měřitelné vesmírné děje na zvládnutelné modely. Tým upravil čas, hustotu a sílu polí tak, aby bezrozměrné veličiny odpovídaly těm v mezigalaktickém prostoru. Tento přístup umožnil vyhodnotit data bez dlouhých čekání na nová kosmická jevy.
| Otázka | Laboratorní přístup | Co tým sledoval |
|---|---|---|
| Vyvolávají párové svazky silné nestability? | Aplikace relativistického svazku do plazmatu | Hledání vzrůstu turbulence a zesílení polí |
| Ztrácí svazek rychle energii? | Sledování profilu a spektrálních znaků | Hledání rozšiřování a disipace energie |
| Může stabilita přežít na dlouhých trasách? | Extrapolace pomocí škálování | Porovnání s mezigalaktickými parametry |
Laboratorní odpověď: svazek zůstává stabilní. Pečlivé škálování naznačuje, že toto chování platí i ve vesmíru, což dělá z magnetického odklonu hlavního viníka chybějících gama paprsků.
Co čekají teleskopy
Nová zařízení přinesou jasnější obraz. Observatoř Cherenkov Telescope Array (CTAO) zachytí vysoceenergetickou emisi s lepší citlivostí i úhlovým rozlišením. Difúzní halo u některých blazarů by podpořilo teorii mezihvězdného magnetismu. Ostrý, opožděný odraz by také odpovídal scénáři ohýbání paprsků. Časové profily, spektra a velikost hal zkusí zmapovat sílu a koherenční délku pole.
Vesmírné přístroje dál sledují nejsilnější zdroje během dlouhých gama záblesků. Koordinované kampaně s rádiovými a rentgenovými observatořemi pomohou rozlišit modely. Pokud pole kolísá mezi prázdnými oblastmi a filamentech, vícespektrální časování to odhalí.
Podstatné pojmy
Blazar: aktivní galaktické jádro s tryskou směřující téměř do našeho zorného pole, čímž zesiluje pozorovanou jasnost. Elektron–pozitronový pár: částice stejné velikosti náboje s opačným znakem, vzniklé přeměnou energie vysoceenergetického fotonu na hmotu. Párová kaskáda: řetězec, kde páry zesilují okolní světlo zpět do gama energetické úrovně. Mezihvězdné magnetické pole: slabé, rozsáhlé pole, které proplétá prostor mezi galaxiemi.
Proč může laboratoř nahradit hluboký vesmír
Astrofyzikální plazmata se pohybují v extrémech hustot a teplot, přesto jejich chování často záleží na poměrech, ne na absolutních číslech. Pokud laboratoř reprodukuje tyto poměry, mikrofyzika odpovídá. To je princip tohoto výzkumu publikovaného v Proceedings of the National Academy of Sciences. Doplňuje data z teleskopů, ale nenahrazuje je.
Existují i limity a rizika. Jednometrové zařízení nemůže simulovat miliardy let šíření. Diagnostika může přehlédnout vzácné, pomalu rostoucí módy. Autoři tyto omezení berou v potaz a tvrdí, že nejrychlejší dominantní nestability se neprojevily. Budoucí experimenty plánují rozšířit rozsah parametrů a testovat různé hustoty plazmatu a energie svazku.
Chytré postupy pro rozšíření výzkumu
- Numerické simulace mohou propojit laboratorní režim s celkovými mezigalaktickými vzdálenostmi a odhalit skryté kanály nestabilit.
- Skládání dat z mnoha blazarů může odhalit slabá halo, která by samostatné studie zdrojů nezachytily.
- Společná interpretace s neutrinovými a gravitačními signály může propojit magnetická pole s vysoceenergetickými transienty.
- Laboratorní benchmarky mohou zlepšit předpovědi v statistickém zpracování gama dat.
Pro ty, kdo se zajímají o přístrojové vybavení: HiRadMat je navržen pro bezpečnou manipulaci s intenzivními svazky a umožňuje nasadit diagnostiku odolávající náročným podmínkám. Super Protonový Synchrotron dodává potřebný výkon. Společně umožnily experimenty, které dříve existovaly pouze v teoretických studiích.
Hlavní objev se na první pohled zdá skromný: analog trysky setrval bez kolísání. Avšak tato stabilita vylučuje populární vysvětlení a upřednostňuje jemný, starodávný magnetismus jako pravděpodobný důvod mizících gama paprsků. Nadcházející objevné mise a další pečlivé experimenty v Ženevě by mohly tento předpoklad změnit v detailní mapu mezihvězdného magnetického pole.
