O sondě PAMELA zkoumající energetická spektra nabitých částic v kosmickém záření jsme již několikrát informovali. Dnes se podíváme na nejnovější výsledky, a to na detekci antiprotonů ve vnitřním Van Allenově pásu v oblasti nad jihoatlantickou anomálií. Sonda PAMELA byla vynesena na oběžnou dráhu dne 15. června 2006 z kosmodromu Bajkonur a data, ze kterých byl vyhodnocen výskyt antiprotonů, sbírala do prosince 2008.
Experiment PAMELA na družici Resurs-DK1.
|
PAMELA – sonda pro zkoumání částic kosmického záření. Název vznikl jako zkratka z anglického Payload for Antimatter Matter Exploration and Light-nuclei Astrophysics. Detektor PAMELA byl umístěn na palubě ruské družice Resurs-DK1. Dne 15. června 2006 navedla nosná raketa Sojuz družici na eliptickou dráhu ve výšce mezi 350 až 610 km. Na vývoji sondy se podíleli vědci z Itálie, Německa, Ruska, Švédska, USA a Indie. Antiproton – antičástice k protonu. Je stabilní, nicméně rychle anihiluje s okolní látkou. Antiproton byl objeven v roce 1955 Emiliem Segrém a Owenem Chamberlainem, kteří za tento objev získali Nobelovu cenu za fyziku pro rok 1959. Van Allenovy pásy – jsou tvořeny nabitými částicemi (elektrony, protony a ionty O+, He+) zachycenými magnetickým polem Země ve vzdálenosti 1,2 až 4 RZ. V polárních oblastech se odrážejí efektem magnetického zrcadla. Pásy existují dva, vnější složený především z elektronů a vnitřní obsahující hmotnější částice. Částice v pásech pronikavě září. Jejich energie je od 1 keV do 100 MeV. Nejenergetičtější elektrony se nazývají zabijácké elektrony (killer electrones) a mechanizmus jejich vzniku není zcela jasný. Pásy objevil James Van Allen z Univerzity v Iowě na základě měření družic Explorer 1 a 2. Jsou mimořádným nebezpečím jak pro kosmické sondy, tak pro člověka. McIlwainovy souřadnice – dvě souřadnice popisující polohu v zemském magnetickém dipólu. První je Lsouřadnice – popisuje tzv. slupku. Jde o všechny silokřivky, které se od Země vzdálí v oblasti magnetického rovníku právě do L-násobku poloměru Země. Druhá je B souřadnice – magnetická indukce velikosti pole v nanoteslách. Souřadnice zavedl Carl McIlwain, jeden z doktorandských studentů Van Allena. |
Jihoatlantická anomálie
Jihoatlantická anomálie se nachází nad Jižní Amerikou a Atlantickým oceánem mezi pobřežími Jižní Ameriky a Afriky. Jde o místo, kde se vnitřní radiační pás nejvíce přibližuje k Zemi. Právě touto zajímavou oblastí prochází oběžná trajektorie sondy PAMELA . V jihoatlantické anomálii je nejslabší magnetické pole Země (viz model NOAA na obrázku), což je příčinou přiblížení radiačního pásu k Zemi.
„Vrstevnice“ spojující místa se stejnou velikostí magnetického pole při povrchu Země.
Pole mezi sousedními liniemi se liší o 1 000 nT. Model NOAA.
Zobrazení jihoatlantické anomálie získané v rentgenovém oboru družicí ROSAT . Zdroj: ROSAT.
Detekce antiprotonů
Během zhruba 850 dnů měření v oblasti jihoatlantické anomálie došlo k 28 případům detekce antiprotonu o energii z intervalu 60÷750 MeV (měření probíhalo v McIlwainových souřadnicích 1,1< L <1,3 a B < 0,216). První z níže uvedených obrázků ukazuje tok antiprotonů v závislosti na energii. Druhý pak poměrný počet antiprotonů vzhledem k protonům.
Graf znázorňující tok antiprotonů zachycených v radiačním pásu nad jihoatlantickou anomálií v závislosti na energii (červené body). Teoreticky vypočtená hodnota pro dráhu PAMELY je zakreslena černou křivkou. Tečkovaná čára znázorňuje teoretický předpoklad toku antiprotonů na slupce L = 1,2. Pro porovnání je uveden tok antiprotonů mimo jihoatlantickou anomálii (modré kroužky) a tok antiprotonů z galaktického kosmického záření (černé čtverečky). Zdroj: [1].
Graf znázorňující poměr antiprotonů k protonům v závislosti na energii v oblasti jihoatlantické anomálie (červené body). Teoreticky předpokládaný poměr je znázorněn černou křivkou. Pro porovnání je vynesen také poměrný počet antiprotonů v galaktickém kosmickém záření (černé čtverečky). Zdroj: [1].
Jak je vidět, naměřené hodnoty toku antiprotonů jsou o dva řády nižší než teoreticky předpokládané. Důvod proč tomu tak je, není zatím známý, jelikož se jedná o první pozorování antiprotonů ve vnitřním radiačním pásu. Zároveň je z grafu vidět, že hodnoty toku antiprotonů v galaktickém kosmickém záření jsou o tři řády nižší než hodnoty naměřené v radiačním pásu. Radiační pásy totiž fungují jako magnetická past a zachycují částice i antičástice vzniklé interakcí kosmického záření s ionosférou.
Závěr
Vědci vyhodnocující data ze sondy PAMELA tedy zaznamenali první pozorování antiprotonů o energiích nižších než 750 MeV v radiačním pásu okolo Země a potvrdili tak teoretické předpoklady, i když naměřené hodnoty jsou nižší, než se čekalo. Vzhledem k tomu, že zjištěné hodnoty toku antiprotonů v radiačním pásu překračují o tři řády hodnoty toku antiprotonů z kosmického záření, jedná se o největší zdroj antiprotonů v blízkosti Země. Jistě bude zajímavé sledovat další výsledky související s tímto objevem a potažmo celým experimentem.
Zdroje:
- O. Adriani et al.: The discovery of geomagnetically trapped cosmic ray antiprotons; 25 Jul 2011, arXiv:1107.4882v1
- ROSAT Webpage: South Atlantic Anomaly
- NOAA Wepage: The World Magnetic Model
- Miroslav Havránek: Experiment PAMELA; AB 34/2006
- Miroslav Havránek: Experiment PAMELA – první výsledky; AB 39/2006
