Lovec antihmoty vyletěl s Endeavourem do vesmíru

Petr Kubala  |  Vesmír
Kresba spektrometru AMS-02. Foto: NASA

Na nosník Mezinárodní vesmírné stanice byl instalován jeden z nejdražších přístrojů, který kdy letěl do vesmíru. Spektrometr AMS-02 má poodhalit nejzákladnější tajemství vesmíru: hledá a zkoumá antihmotu.

Podle současných teorií tvoří viditelná hmota jen 4 % vesmíru. Z pouhých čtyř procent hmoty jsou tvořeny hvězdy, galaxie, mlhoviny, planety a vše, co tak hrdě pozorujeme a zkoumáme kosmickými i pozemskými dalekohledy.

Zbývající podíl připadá na skrytou hmotu (23 %) a energii (73 %). Co přesně ale skrytou energii a skrytou hmotu tvoří, s jistotou nevíme.

Velké otazníky také visí nad existencí antihmoty, která je tvořena antičásticemi. Od klasických částic se antičástice liší opačnými elektrickými a magnetickými vlastnostmi: elektrický náboj, baryonové číslo, podivnost…

Rozlousknout jedny z největších a nejelementárnějších záhad vesmíru má za úkol přístroj AMS-02 (Alpha Magnetic Spectrometer-2). Vydal se do vesmíru v nákladovém prostoru raketoplánu Endeavour a nyní je upevněn na Mezinárodní vesmírné stanici ISS.

Pozice AMS-02 na Mezinárodní kosmické stanici. Credit: NASA
Pozice AMS-02 na Mezinárodní vesmírné stanici je vyznačena červeně. Foto: NASA

Antihmota a trocha líbání

Vraťme se ale na úplný začátek. Příběh antihmoty se začal psát ve 20. letech minulého století, kdy britský fyzik Paul Dirac odvodil svou slavnou rovnici, popisující částici se spinem s = ½. Vedlejším produktem bylo řešení, které připouštělo existenci částice se zápornou energií a opačným nábojem.

Tato myšlenka byla postupně rozpracovávána. Světlo světa spatřila teorie o antičástici k elektronu, dnes nesoucí název pozitron. Už v roce 1932 byla existence pozitronu experimentálně potvrzena Carlem D. Andersonem.

Přestože existence antičástic byla již experimentálně fakticky prokázána, ve vesmíru žádné větší shluky antihmoty nenacházíme. Nemáme zde antihvězdy, antiplanety či antigalaxie. Je tedy zřejmé, že antihmota se ve vesmíru vyskytuje spíše ve formě pouhých částic. Nebo ne?

Během testů spektrometru AMS-02 v CERNu. Foto: NASA
Během testů spektrometru AMS-02 v CERNu. Foto: NASA

Pozitrony, antiprotony, antineutrony a další antičástice vznikají v zemské atmosféře při srážkách vysokoenergetických částic s jádry klasické hmoty. Některé antičástice jsou rovněž produkovány při extrémních událostech a objektech jako jsou například supernovy.

Pro fyziky je daleko atraktivnější představa existence antiatomů, zejména antihélia. Jejich vznik je poměrně málo pravděpodobný. Detekce antihélia by mohla znamenat, že někde ve vesmíru přece jen existují oblasti, kde se antihmota vyskytuje v nějakém významnějším množství.

Studium antihmoty je pro současnou fyziku klíčové. Může nám nejen poodhalit některá tajemství vesmíru, ale být i energetický význam. Při anihilaci částice hmoty a její antičástice se totiž veškerá hmota přemění na energii dle slavné rovnice E = m.c2. Známým evergreenem fyziky je příklad s mladým párem, kde dívka je tvořena antihmotou a chlapec hmotou. O polibku takové dvojice by se zcela bez nadsázky dozvěděl celý vesmír.

Vědci dnes dokážou antičástice vyrobit. Žel pouze v omezeném množství a na zlomky sekund. Doba, kdy budeme moci antihmotu využít například k pohonu kosmických lodí, je prozatím ještě hodně vzdálená.

AMS poprvé a podruhé

Historie projektu AMS se začala psát už v roce 1994. Fyzik Samuel Ting z Massachusetts Institute of Technology začal se svými kolegy přemýšlet o stavbě spektrometru pro detekci antihmoty, který by se stal součástí chystané orbitální stanice.

Od slov k činům se tehdy přešlo velmi rychle. Po vytvoření skupiny, která měla připravit studii proveditelnosti, přišla v roce 1998 mise raketoplánu Discovery (STS-91). Do vesmíru se vypravil spektrometr AMS-01, který pracoval na oběžné dráze v nákladovém prostoru kosmického korábu po dobu 103 hodin. Jako první poskytl přesná měření primárního kosmického záření. Publikováno bylo celkem sedm vědeckých prací, které z tohoto měření vycházely.

Na videu si prohlédněte „balení“ AMS-02 k odletu do vesmíru. Kontejner, do něhož byl AMS-02 umístěn, se přepravil na startovací rampu, kde byl později instalován do nákladového prostoru raketoplánu Endeavour.

Vědci ovšem toužili po stavbě daleko většího přístroje, který bude na oběžné dráze pracovat podstatně déle, než je průměrná délka jedné mise raketoplánu. Mezinárodní kosmická stanice byla pro tyto účely jako stvořená.

Stavba spektrografu AMS-02 začala v roce 1998 a původně se plánovalo, že AMS-02 odstartuje vstříc ISS někdy okolo roku 2005. V roce 2003 však postihla NASA katastrofa raketoplánu Columbia. Budoucnost kosmických korábů i celé dostavby ISS byla nejistá, harmonogram se dostal do značného skluzu a start AMS-02 se tak odsunul na neurčito.

Nový termín startu byl stanoven na rok 2010, ale AMS-02 se k ISS opět nevydal. Na vině byla tentokrát vskutku kuriózní příčina. Srdcem spektografu se měl stát supravodivý magnet chlazený na teplotu nepříliš vzdálenou absolutní nule. Chladicí kapalinou mělo být tekuté hélium. Vědcům však při závěrečných testech došlo, že chladicí kapalina nevydrží příliš dlouho a že by spektrometr byl v akci maximálně tři roky.

Když si fyzikové dali na misky vah možnost krátké mise se supravodivým magnetem nebo dlouhodobé mise s klasickým magnetem, bylo rozhodnuto. Magnet se musel měnit a start se odsunul na rok 2011.

AMS-02 v nákladovém prostoru raketoplánu Endeavour. Snímek byl pořízen z paluby Mezinárodní kosmické stanice krátce před tím, než se k ní kosmický koráb připojil. Foto: NASA
AMS-02 v nákladovém prostoru raketoplánu Endeavour. Snímek byl pořízen z paluby Mezinárodní kosmické stanice krátce před tím, než se k ní kosmický koráb připojil. Foto: NASA
Připojování AMS-02 k ISS. Foto: NASA
Připojování AMS-02 k ISS. Foto: NASA

Nejdůležitější vědecké přístroje

AMS-02 se skládá z magnetu a několika detektorů. Permanentní magnet zajistí 3 000× silnější magnetické pole, než je na Zemi.

Prvním detektorem, kterým zkoumaná částice projde, je Transition Radiation Detector (TRD). Má umožnit rozlišit protony a antiprotony od elektronů a pozitronů. TRD je vybaven 328 moduly uspořádaných ve dvaceti vrstvách V každém modulu najdeme trubice naplněné xenonem (80 %) a oxidem uhličitým (20 %). Když projde elektron či proton těmito vrstvami, bude zaznamenáno rentgenové záření; v případě protonů a jejich antiprotějšků nikoli.

Detektory Time-of-Flight System (ToF) poskytnou velmi přesné informace o času průletu detekovaných částic s přesnosti 1,5.10^-10 s. Detektory jsou na obou stranách AMS. Pokud si přepočteme čas a vzdálenost detektorů (1,2 m), vyjde nám, že detektory dokážou měřit rychlost částic do 98 % rychlosti světla.

Ring-Imaging Cherenkov Detector(RICH) měří velmi přesně rychlost částic.

Silicon Tracker: jedná se o křemíkový detektor k měření polohy a zakřivení drah nabitých částic v magnetickém poli magnetu. Dle zakřivení dráhy lze určit hybnost apod. Jedná se o jediný přístroj na palubě, který je schopen rozlišit částice hmoty od antihmoty.

Electromagnetic Calorimeter (ECAL): elektromagnetický kalorimetr slouží k určení energie částic, které procházejí skrz olověný radiátor. V něm dojde k vytvoření spršky sekundárních částic, jejichž velikost je závislá na energii primární částice.

Anti-Coincidence Counter (ACC): podle odhadu projde AMS až deset tisíc částic za sekundu. Úkolem ACC je rozlišit zrno od plev, bude se jednat zhruba o 80 % částic, které jsou dobře analyzovatelné (přicházejí do přístroje více méně ve směru se shora dolů).

The Star Tracker a GPS – prvně jmenovaný přístroj je vybaven dvojici kamer, která bude každých deset sekund snímat hvězdné pole. Cílem je mít přesnou informaci, kam se AMS „zrovna dívá“ a ze kterého místa tedy přišly dané částice. GPS potom dodá přesnou informaci o čase.

Schéma AMS-02. Zdroj: NASA
Schéma AMS-02. Zdroj: NASA

Už je na místě

Raketoplán Endevour odstartoval k Mezinárodní kosmické stanici se spektrometrem AMS-02 v pondělí 16. května. K ISS se kosmický koráb připojil o dva dny později po poledni našeho času.

AMS-02 byl následující den nejprve vyzvednut mechanickým manipulátorem raketoplánu z nákladového prostoru. Spektrometr si následně převzal mechanický manipulátor ISS a připojil ho k nosníku ITS-S3 vesmírného komplexu. Instalaci AMS-02 na ISS ukazuje zrychlené video.

Základní údaje o AMS-02

  • Hmotnost: 6 917 kg
  • Rozměry: 3,3 × 4,5 × 3,0 m
  • Cena včetně nákladů na provoz: 2 miliardy dolarů
  • Délka mise: minimálně 10 let
  • Země podílející se na projektu: Dánsko, Finsko, Francie, Německo, Itálie, Nizozemsko, Portugalsko, Rumunsko, Rusko, Španělsko, Švýcarsko, Čína, Jižní Korea, Taiwan, USA a Mexiko.
  • Hlavní úkoly: hledání důkazů případné existence oblastí z antihmoty v současném či minulém vesmíru, zkoumání vlastností částic a jader kosmického záření a v neposlední řadě rovněž detekce produktů rozpadů nebo anihilace částic temné hmoty.

Další zajímavé odkazy:

Autor je provozovatelem webu www.Exoplanety.cz

Nejčtenější