Na rozdíl od pozemských urychlovačů, kde si vědci dopředu detailně plánují experimenty, Patrik Čechvala musí vyčkávat, co přiletí z hlubin vesmíru. Věnuje se totiž sledování spršek částic, vyvolaných fotony s mimořádnými energiemi.
V rozhovoru nejen o postdoktorálním programu MSCA COFUND Physics for Future ve Fyzikálním ústavu AV ČR vypráví o tom, proč je vesmír ta nejlepší laboratoř a jak kosmické záření pomáhá při odkrývání tajemství pyramid – i jak téma představit veřejnosti v soutěžích jako FameLab, v jehož českém finále letos FZU reprezentoval.
Čím vás okouzlila astrofyzika, že se stala vaší životní cestou?
Astronomii a astrofyzice jsem se začal věnovat už na střední škole. Tehdy jsem se rozhodl, že se stanu hvězdářem. Astronomie je o posouvání hranic nepoznaného, a když ji propojíte s částicovou fyzikou, vznikají další možnosti, jak se dívat na vesmír. Tím se právě zabývá astročásticová fyzika. Právě tomuto oboru se věnuji již od bakalářské práce. Během psaní diplomové práce jsem navázal první kontakt s kolegy z Fyzikálního ústavu, kteří jsou zapojeni do velkých mezinárodních observatoří, a nyní díky programu Physics for Future se mohu s nimi podílet na zajímavém projektu Čerenkovových dalekohledů SST-1M umístěných v Ondřejově v areálu Astronomického ústavu AV ČR.
Co přesně zkoumáte?
S kolegy se zabýváme zkoumáním vesmíru při vysokých energiích, pozorujeme nejenergičtější části spektra elektromagnetického záření – gama záření. Zatímco ještě začátkem minulého století vědci zkoumali vesmír převážně klasickými optickými dalekohledy a pozorovali především elektromagnetické záření ve viditelné oblasti, nedávný rozvoj techniky nám otevřel nové možnosti. Dnes můžeme vesmír zkoumat prostřednictvím infračerveného záření, rádiových vln, ultrafialového záření, rentgenového záření i jinými metodami, které se o záření neopírají – už téměř deset let totiž umíme zaznamenávat gravitační vlny.
Z vesmíru k nám ovšem přilétají i částice – jádra různých prvků, neutrina nebo protony. Vědci zkoumají vysokoenergetické fotony z kosmu dvěma typy metod: tou první je měření přímo ve vesmíru. Ale prozatím umíme do rakety vtěsnat pouze přístroj omezených rozměrů, a proto ve vesmíru studujeme fotony pouze do určité energie.
Druhá metoda spočívá ve využití samotné atmosféry. Ta je pro takové fotony nepropustná, ale pokud mají dostatečnou energii, vytvoří v atmosféře spršku sekundárních částic. Tu můžeme zaznamenat soustavou pozemních detektorů nebo přímým zobrazením vývoje spršky v atmosféře. Během šíření spršky je vyzařované takzvané Čerenkovovo záření. Toto namodralé záření umíme zaznamenat zrcadlovými dalekohledy se specializovanou kamerou a z pozorování vývoje spršky se snažíme následně odvodit směr a energii příletu primárních fotonů z vesmíru. A právě na takových dvou zobrazovacích Čerenkovových dalekohledech s názvem Single-Mirror Small Size Telescope (SST-1M) pracuji s kolegy. Jedná se o projekt vyvinutý výzkumnými institucemi z České republiky, Polska a Švýcarska.
Soustava dvou dalekohledů s průměrem primárního zrcadla čtyři metry je umístěná v areálu observatoře Astronomického ústavu Akademie věd v Ondřejově. Spršky pozorujeme ve stereo režimu, protože nám to umožňuje efektivněji rekonstruovat směr příletu primárního fotonu, odhadnout jeho energii a odlišovat mezi sprškami vyvolanými gama fotony a těmi vyvolanými protony.
Jak vypadá váš pracovní den?
V rámci projektu mám na starosti práci se simulacemi. Potřebujeme upřesnit, jak jsou dalekohledy citlivé, jaké mají úhlové a energetické rozlišení a jak efektivně jsme s jejich pomocí schopni odlišit spršky vyvolané gama fotony od těch vyvolaných protony. V současné době zvažujeme dvě budoucí umístění a jedním z mých úkolů je připravit podrobnou analýzu těchto parametrů pro možné nové umístění dalekohledů SST-1M a jejich optimální vzdálenost. Při práci tedy převážně pracuji s počítačem, programuji a zpracovávám výsledky simulací. Kromě toho také pomáhám kolegům s pozorováním na dalekohledech. Pracovní den mám tedy poměrně rozmanitý.
Astročásticová fyzika se začala rozvíjet na počátku 20. století, pak ale vědci vytvořili první urychlovače a její popularita ustoupila do pozadí. Proč se k ní v posledních desetiletích výzkumníci vracejí?
Pro fyziky je při výzkumu důležité, aby měli kontrolované prostředí, kde si volí parametry a mají jasně definované podmínky experimentu. V astročásticové fyzice jsme odkázáni na to, co nám pošle sám vesmír, a to byl jeden z důvodů, proč pozornost vědců v určité době směřovala k urychlovačům.
Vesmír nám sporadicky posílá částice s daleko vyššími energiemi, než umíme vytvořit v urychlovači. Protony nebo jádra prvků s nejvyšší energií dopadají do atmosféry pouze jednou za sto let na kilometr čtvereční. Kromě toho k nám z vesmíru přichází také gama záření, neutrina a gravitační vlny, a pokud zachytíme zdroj nebo událost ve vesmíru prostřednictvím těchto „poslů z vesmíru“ současně, je možné získat komplexnější obraz o vlastnostech různých exotických zdrojů a o vysokoenergetických procesech, které se odehrávají v jejich okolí. Této technice se také říká multimessengerová astronomie.
Pro účinnou detekci jednotlivých typů „poslů“ se budují specifické observatoře. Jednou z metod, které tyto observatoře využívají, je budování velkých soustav pozemních detektorů rozmístěných na velké ploše, aby bylo možné zachytit co nejvíce spršek.
Protože jedna instituce není schopna vybudovat takové observatoře, sdružují se do velkých mezinárodních konsorcií, jako je Cherenkov Telescope Array Observatory (CTAO). Ta se bude zabývat studiem gama záření a bude sestávat z desítek zobrazovacích Čerenkovových dalekohledů. SST-1M byl vyvinut jako jeden z typů dalekohledů pro CTAO, ale v současné době se jedná o samostatný projekt, kdy ukončujeme testovací fázi a získáváme první vědecké výsledky.
Může mít metoda i nějaké praktické využití, nebo jde čistě o základní výzkum?
To je dobrá otázka – většinou se říká „jen základní výzkum“, ale realita je jiná. Některé metody založené na znalostech astročasticové fyziky si našly uplatnění v zcela neočekávaných oborech. Mionová tomografie založená na kosmickém záření se používá v archeologii, stavebnictví i geologii. Miony totiž mají schopnost pronikat výrazně hlouběji materiálem, což umožňuje studovat místa, kam jinak nevidíme. Louis Alvarez umístil detektor mionů do jedné z dolních komor Rachefovy pyramidy v Gíze už v šedesátých letech 20. století. Úspěšnější byl projekt vědců z Egypta, Japonska a Francie, který využil miony k zobrazení vnitřní struktury Cheopsovy pyramidy. V roce 2017 objevili v pyramidě novou dutinu o délce 30 metrů. V Japonsku zase mionová metoda pomohla zjistit, co se děje uvnitř sopky nebo havarované jaderné elektrárny ve Fukušimě.
Mimochodem, jak jste se dostal do programu Physics for Future?
Přihlásil jsem se, prošel jsem výběrem a možná jsem měl i trochu štěstí. Dostal jsem dva skvělé vedoucí – oba se jmenují Jakub, jeden je Vícha a druhý Juryšek. Jsou to špičky ve svém oboru a zároveň výborní mentoři. V minulosti jsme spolupracovali a upozornili mě na možnost se přihlásit do takového programu, čehož jsem rád využil. Myslím, že jejich přístup – kombinace kreativity, preciznosti a otevřenosti – mě profesně hodně posunul. Navíc program nabízí školení nejen ve vědě, ale i v softskills – třeba jak napsat projekt, plánovat kariéru nebo komunikovat vědu veřejnosti. To je v dnešní době klíčové.
Právě s popularizací vědy máte rozsáhlé zkušenosti. Mohl byste nám prozradit svůj oblíbený způsob?
Astronomie má tu výhodu, že lidi do jisté míry přirozeně přitahuje. Hvězdy, černé díry nebo celý vesmír jsou hluboká a silná témata, která vzbuzují zvědavost. A je tak přirozené, že se s kolegy věnujeme i této činnosti, protože v dnešní době je to mimořádně potřebné.
Já osobně jsem začal s popularizací již na střední škole, když jsem pracoval jako lektor v Přírodovědném muzeu v Bratislavě. Vysvětloval jsem výstavu o astrofyzice, ale i interaktivní exponáty tak, aby to bavilo děti i dospělé, což mě nutilo učit se způsoby, jak srozumitelně mluvit o vědě.
Od té doby pomáhám a zapojuji se do řady aktivit – s amatérskými astronomy z Bratislavy se v rámci občanského sdružení snažíme popularizovat astronomii a témata související s poznáváním vesmíru organizováním veřejných pozorování, workshopů a veřejných přednášek. Již více než deset let pomáhám s organizací pravidelného cyklu populárně-vědeckých přednášek v Přírodovědném muzeu v Bratislavě a pět let jsem tam také vedl astronomický kroužek pro děti.
S kolegy se snažíme o výstavbu planetária v Bratislavě, které nám dlouhodobě velmi chybí. V tomto může hlavní město Slovenska Praze jen závidět. Nedávno se nám však podařil velký úspěch, kdy jsme se s kolegy podíleli na organizaci výstavby hvězdárny na střeše Německé školy v Bratislavě (Deutsche Schule Bratislava). Ta vznikla díky sbírce rodičů a přátel školy. Když jsme s kolegy nahlíželi do archivních záznamů, zjistili jsme, že je to přibližně po 40 letech, co má město opět observatoř určenou pro veřejnost. Škola iniciovala i astronomické kroužky. V současné době se stále snažím tomuto projektu na dálku pomáhat konzultacemi a vytvářením pozorovacího programu. Hvězdárna má kvalitní vybavení a byl bych rád, kdyby zde vznikly studentské projekty a studenti dosáhli zajímavých výsledků a získali zkušenosti s astronomickou technikou.
Přednáším i na témata, u nichž by člověk na první pohled nečekal souvislost s astronomií nebo fyzikou. V tomto duchu vznikla série přednášek o fyzice v kuchyni nebo astronomii v knihách J. R. R. Tolkiena a některé jsou publikované jako populárně-naučné články. Vědecké vaření dokonce vycházelo celý rok ve speciální rubrice v jednom slovenském populárně-naučném měsíčníku. Pravidelně se také účastním vědeckých festivalů, případně se snažím „propašovat“ vědecká témata na popkulturní festivaly.
Letos jste se také stal finalistou prestižní popularizační soutěže FameLab, jejíž účastníci mají na představení svého vědeckého tématu pouhé tři minuty. Jaká to byla zkušenost? Využijete ji nějak v budoucnu, nebo plánujete se zúčastnit jiných soutěží jako třeba Falling Walls?
Účast ve finále FameLabu byla pro mě úžasnou zkušeností. Je to formát, kdy je vědec nucen v krátkém časovém úseku poutavě vysvětlit téma svého výzkumu laické veřejnosti. Přitom musí dbát kromě obsahu i na formu svého vystoupení. Mluvím hlavně za sebe, ale předpokládám, že ostatní soutěžící to měli podobně. Bylo nutné překonat se, vystoupit ze své komfortní zóny a zapracovat na přednesu, vystupování a vlastně i hraní, což může být pro vědce trochu atypická pozice. A v tomhle ohledu si myslím, že je to skvělá zkušenost. Velmi sympatické je také to, jak funguje a je v kontaktu celá komunita kolem FameLabu i mimo samotné soutěže. Rád bych poděkoval organizátorům za možnost zúčastnit se něčeho podobného. Velké poděkování patří také kolegům z FZU za to, že byli ochotni během září obětovat část svých přestávek na oběd, aby mě poslouchali, jak trénuji na finále, a dávali mi zpětnou vazbu. Myslím si, že koncept komunikace vědy tímto způsobem je velmi zajímavý. V minulosti jsem měl možnost zúčastnit se podobné akce ve francouzském jazyce organizované Francouzskými instituty. Velmi rád tyto zkušenosti využiji i v budoucnu a uvažuji o účasti na Falling Walls.
Jak mimo práci odpočíváte?
Když se mi podaří najít si volný čas, rád ho využiji buď nějakou pohybovou nebo venkovní aktivitou. Snažím se alespoň jednou týdně chodit do posilovny a rád mám společenské tance. S tancem mám spojeny i příjemné vzpomínky na zkoušku z mechaniky na vysoké škole, kdy jsme dostali za úkol vypočítat moment hybnosti páru tančícího valčík a sami jsme měli odhadnout jednotlivé veličiny, jako je hmotnost partnera a partnerky, jejich vzájemná vzdálenost a rychlost otáčení. Svou odpověď jsem začal úvahou o rozdílech mezi anglickým valčíkem, resp. waltzem, a vídeňským valčíkem. Úvahu jsem uzavřel tím, že budeme uvažovat o vídeňském valčíku, kde jsem také provedl přibližný odhad úhlové rychlosti tak, aby to odpovídalo poctivému valčíku, a následně doplnil moment hybnosti.
V Praze mi ale chybí můj nejlepší parťák na výlety a procházky lesem, můj pes Andy. Užívá si velké zahrady u rodičů na Slovensku, takže je spokojený. Když už zmiňuji zahradu, musím se přiznat i k lásce ke zahradničení a vaření. Také se pravidelně setkávám s přáteli u hraní deskových her.
Co vás na vědecké práci nejvíce baví?
Je to právě ona kombinace – vědecká zvídavost, mezinárodní spolupráce, snaha porozumět něčemu, co je úplně mimo naše běžné chápání, a také fakt, že se učíme být trpěliví – jsme sice odkázáni na to, co nám pošle příroda, ale je dobré být na zprávy z hlubin vesmíru připraven.
Autorka: Petra Köppl
- Autor článku: ne
- Zdroj: Akademie věd ČR
