Kosmické záření objevil balon z Ústí nad Labem, dnes ho Češi chytají v Argentině

Proč fyziky trápil elektroskop, který se sám vybíjel

Kosmické záření se neohlásilo dalekohledem, ale obyčejnou školní pomůckou. Fyzici 19. století věděli, že suchý vzduch by neměl vést elektřinu, a přesto ji slabě vede. Prozrazoval to elektroskop, skleněná baňka s kovovou tyčkou, na jejímž konci visí dva tenké lístky z cínu nebo ze zlata. Stačí přiložit ebonitovou tyč natřenou liščím ohonem a lístky se nabijí a odpudí. Jiří Grygar připomíná, že ve školním kabinetu nikdo nečekal dost dlouho. „Kdybych si tam mohl sedět třeba takovou hodinu, tak bych viděl, že ty lístky se začínají k sobě zase vracet,“ říká. Náboj z nich sám od sebe unikal do vzduchu. Když Henri Becquerel objevil radioaktivitu uranu a dostal za ni jednu z prvních Nobelových cen, zdálo se, že je hotovo: vzduch ionizuje slabé záření hornin pod našima nohama.

Jeden německý jezuita a fyzik tomu ale nevěřil. Pokud záření vychází z hornin, mělo by být v jeskyni silnější. Nebylo. Zkusil to tedy opačně a v roce 1909 měřil u paty Eiffelovy věže i na jejím vrcholu. Výsledek vycházel všude stejně, v jeskyni, na zemi i nahoře. Kolem roku 1910 proto fyzici začali uvažovat, že ionizující záření přichází shůry, nejspíš ze Slunce.

Kosmické záření objevil balon, který vzlétl u Ústí nad Labem

Rozhodující měření se odehrálo nad severními Čechami. Viktor Hess byl od roku 1910 asistentem na císařské Akademii věd ve Vídni, experimentální fyzik a zároveň nadšený vzduchoplavec. V roce 1911 dostal od akademie grant na lety balonem. První balony startovaly z vídeňského Prátru a plnil je svítiplyn, takže unesly málo a vystoupaly jen do jednoho až dvou kilometrů. Záření se tam nahoře neměnilo. Hess létal i při částečném zatmění Slunce a v noci a signál nezeslábl, Slunce tedy jako zdroj vypadlo. Pak sáhl po balonu Böhmen, který patřil německému spolku v Teplicích. Výhoda byla v sousedství: chemička v Ústí nad Labem jako jediná v monarchii vyráběla plynný vodík. Ten je lehký, ale se vzduchem tvoří třaskavou směs. Hess to riskoval.

V srpnu 1912 v šest hodin ráno vzlétl, podle Grygara nejspíš z Chabařovic, s pilotem, meteorologem a třemi elektroskopy. Nad čtyřmi kilometry potřebovali kyslíkové masky a ty jim zamrzaly. Nejvýš měřili ve 4,8 kilometru při minus deseti stupních. Balon přeletěl Krušné hory a přistál v Německu u vesnice Pieskow. Hess měřil cestou nahoru i dolů a obě řady dat se shodly: v největší výšce byla ionizace vzduchu čtyřikrát vyšší než při startu. Ještě v roce 1912 výsledek publikoval s jediným možným vysvětlením, že z vesmíru přicházejí pronikavé paprsky. V roce 1936 za to dostal Nobelovu cenu za fyziku.

Grygar si Hessův let po sto letech zopakoval. K životnímu jubileu mu kolegové koupili letenku na balon jménem Bohemia a v roce 2012 s ním vystoupal do 3,5 kilometru, výš ho letiště nepustilo. Měřil moderním Geigerovým-Müllerovým čítačem a vyšel mu stejný graf. „Takže jsem mohl jenom potvrdit, že Hess tu cenu dostal správně,“ říká.

Kolik částic kosmického záření projde lidským tělem?

Zhruba sto za sekundu a žádná v nás nezůstane. „Za sekundu, tak jak tady sedíme nebo stojíme, tak nám prolétí 100 částic kosmického záření, ale žádné z nich v nás neuvízne,“ říká Grygar. Vysvětlení je ve stavbě hmoty. Atom je skoro prázdný. Téměř všechna jeho hmotnost sedí v jádře z protonů a neutronů a kolem je obrovský prostor, ve kterém se pohybují elektrony, víc než tisíckrát lehčí. Částice s obrovskou energií proto prostorem mezi jádry jednoduše proletí. Podle Grygara výpočet ukazuje, že člověk, který se dožije osmdesáti let, schytá za celý život asi dva zásahy do některého atomu svého těla. Když se ho posluchač zeptal, co by s člověkem udělala částice s energií tenisového míčku, odpověděl, že zničí jeden atom a nic jiného, a to dvakrát za život. „Tak bez dvou atomů se obejdete,“ dodal s tím, že horší je strhávání náplasti.

Jinak je to v letadle. Záření nižších energií, které přichází ze Slunce a z naší Galaxie, je hodně a magnetické pole Země nás před ním chrání. Kolem magnetických pólů ale siločáry míří svisle a záření po nich sklouzne dolů až do výšek, kde létají dopravní letadla. Podle Grygara už existují statistiky, podle kterých piloti, kteří často létali přes pól z Evropy do Ameriky nebo do Japonska, mívají častěji rakovinu.

Běhounek měřil kosmické záření i na ledové kře

Česká stopa v kosmickém záření je skoro stejně stará jako obor sám. František Běhounek vyrazil v roce 1928 s Umbertem Nobilem ve vzducholodi Italia z Milána k severnímu pólu a cestou měřil, jak se záření mění se zeměpisnou šířkou. U pólu se k zemi dostává nejsnáz, blíž k rovníku ho magnetické pole odklání. Vzducholoď ztroskotala a část posádky zahynula. Běhounek, Nobile a několik dalších přežili na ledové kře se zbytky lodi. Mezi nimi byla naštěstí i rádiová stanice, takže mohli volat o pomoc. Grygar zdůrazňuje, že Běhounek měřil i tam, kde šlo o život. Po návratu do Prahy výsledky hned publikoval a popsal jev, kterému se dnes říká šířkový efekt. Grygar jeho práci označuje za průkopnickou, zvládnutou „naprosto fascinujícím způsobem“.

Na Běhounka navázal Václav Petržílka, který podle Grygara v roce 1954 zakládal Fyzikální ústav, kde Grygar pracuje. První detektory měl v Praze na Karlově, potom se měření přestěhovalo na Lomnický štít, kde se kosmické záření sleduje dodnes. Nejmladší z otců zakladatelů, Jaroslav Pernegr (1924 až 1988), odešel do exilu a pracoval v CERN. „Takže my máme vlastně přímou tradici až k tomu profesoru Běhounkovi,“ říká Grygar.

Jediná částice z vesmíru nesla energii tenisového míčku

Rekord padl 15. října 1991 v americkém Utahu, kde ho zachytil detektor se zrcadly zvaný Muší oko. Částice měla 3 krát 10 na dvacátou elektronvoltů, tedy 50 joulů. „To je taková energie, kterou když vezmete tenisový míček a prásknete do něj rychlostí 80 kilometrů za hodinu,“ přibližuje Grygar. Celá ta energie se vešla do jediné částice, kterou ani nevidíme, a silnější sprška od té doby nepřišla. Pro srovnání: největší urychlovač světa v CERN u Ženevy, který stál skoro pět miliard eur, dosáhl své rekordní energie v roce 2015. Příroda umí částice urychlit desetmilionkrát víc a nikdo neví jak. Astronomové by rádi věděli, jak to dělá „ta Matka příroda, která určitě do toho nevráží ani cent“. Kdo by na její mechanismus přišel, mohl by podle Grygara změnit světovou energetiku, jen to možná potrvá ještě několik set let.

Že se takové částice dají chytat na zemi, ukázal v roce 1938 francouzský fyzik Pierre Auger. Na úbočí Jungfraujochu ve švýcarských Alpách, ve výšce tři a půl kilometru, rozmístil Geigerovy-Müllerovy trubice stovky metrů od sebe a připojil k nim hodiny. Většinou mlčely, ale občas se ozvaly všechny najednou. Auger pochopil, že jde o spršku: proton z vesmíru narazí v atmosféře na molekulu dusíku a rozbije se na lavinu dalších částic. Čím je sprška širší, tím víc energie původní částice nesla.

Olomoucká zrcadla porazila Němce, Italy i Brazilce

Do mezinárodní observatoře se Češi dostali díky obědu v závodní jídelně. Profesor Řídký, částicový fyzik a ředitel Fyzikálního ústavu, slyšel zhruba před pětadvaceti lety v CERN přednášku nositele Nobelovy ceny Jima Cronina a Angličana Alana Watsona o observatoři pro nejenergetičtější kosmické záření. V Praze o tom u oběda vyprávěl Grygarovi a ten se zdráhal. Protony nesou náboj a magnetická pole ve vesmíru jsou podle něj „zašmodrchaná“, takže místo, odkud sprška přiletí, nemusí vůbec souhlasit se zdrojem. „No to seš teda pěkně hloupý,“ odpověděl mu kolega. Při tak vysokých energiích se protony odchýlí jen málo a dá se to statisticky vyhodnotit. Grygar uznal, že má pravdu. Ke spolupráci přizvali olomoucké optiky, protože spršky v noci slabě svítí a k jejich zachycení jsou potřeba velká zrcadla složená z šestiúhelníkových dlaždic.

O výrobu zrcadel soutěžily čtyři z osmnácti členských zemí: Brazílie, Německo, Itálie a Česko. Olomoucká zrcadla byla nejpřesnější a vyhrála. Vyráběla se ze skla na varné nádobí, protože má malou tepelnou roztažnost. Každý šestiúhelník měřil napříč asi 65 centimetrů a potřeba jich byla tisícovka. „My jsme prostě vyjedli veškeré varné sklo v republice a už jsme další neměli,“ říká Grygar, a tak zbytek dodali druzí v pořadí, Němci. Cesta zrcadel vedla kamionem do Hamburku, lodí do chilského Valparaísa a znovu kamionem přes Andy, kde silnice vystoupá až k 6500 metrům, a dolů do Argentiny. Práce trvala asi osm let.

Co dnes měří observatoř Pierra Augera v Argentině?

Observatoř nese Augerovo jméno a leží u městečka Malargüe v argentinské provincii Mendoza, na planině ve výšce kolem 1500 metrů, která je pro chytání spršek nejlepší. V plném provozu je od roku 2008. Na pampě stojí přes 1600 plastových sudů, každý s 12 tunami destilované vody, která musí vydržet dvacet let. Jsou od sebe půldruhého kilometru a pokrývají zhruba tři tisíce čtverečních kilometrů. Když sudem proletí částice, voda ve tmě uvnitř blikne, takže sudy pracují ve dne i v noci. Čtyři stanice se zrcadly vidí spršku celou, ale jen za tmy, jasna a bez Měsíce, celkem asi 13 procent času. Celé zařízení stálo jen 50 milionů dolarů, protože vědci pracovali jako zaměstnanci svých domovských ústavů. „V Praze se to udělat nedá, protože tady by nám rozkradli všechno,“ žertuje Grygar.

Česká skupina má dnes asi 35 lidí, z nichž třetina jsou cizinci. Provozuje i robotický dalekohled FRAM za asi milion korun, který se ovládá z Prahy a měří, jak průzračná je atmosféra. Výsledky observatoře překvapily: čím vyšší energie, tím víc mezi částicemi přibývá těžších jader, od helia přes uhlík a dusík až k železu. A částice nepřicházejí rovnoměrně z celé oblohy. Práci o této nerovnoměrnosti podepsalo kolem 500 vědců a v roce 2017 ji vyhlásili mezi deset nejvýznamnějších objevů ve fyzice. Zdroje přesto zůstávají záhadou, protože reliktní záření s teplotou 2,7 kelvinu nejsilnější částice brzdí a k nám doletí jen ty z okruhu asi 230 milionů světelných let.

„Na jedné straně vám nabídne, že ta energie je hrozná, a na druhé straně vám zabrání v tom, abyste to zkoumali. V každém oboru vědy vždy jsme v situaci, že to lehké už je známo, a to těžké je neznámo,“ říká Jiří Grygar.