AMS, vzácny náklad raketoplánu Endeavour

Raketoplán Endeavour dnes úspešne odštartoval z Kennedyho vesmírneho strediska na svoj posledný let. Pozrime sa trochu bližšie na hlavný dôvod a pôvod jeho letu, na experiment AMS.

Dnešný štart raketoplánu Endeavour pôvodne v pláne nebol. Predchádzajúci štart raketoplánu Discovery (misia STS-133)  vo februári mal byť posledným letom raketoplánov. Zrod misie Endeavouru, pridanej naviac do programu letov súvisí  s experimentom AMS. 

Alfa Magnetic Spectrometer 

AMS experiment má za sebou dlhý a spletitý príbeh. Nápad sa zrodil v roku 1995. Hlavnou postavou stojacou za AMS je od tých čias až po dnešok Samuel Ting, nositeľ nobelovej ceny za objav J/psi častice. Spočiatku šlo všetko relatívne rýchlo a už v roku 1998 bol pripravený na let prototyp detektora označený AMS-01. Takzvaná prekurzor misia slúžiaca na otestovanie prototypu detektora prebehla v júni 1998 v rámci letu raketoplánu Discovery STS-91 k vesmírnej stanici MIR. Po úspešnom skúšobnom lete začal vývoj detektora AMS-02. Keďže spotreba energie detektorom vo výške 2 až 2.5 kW bola privysoká pre samostatný satelit, AMS-02 bol dizajnovaný ako externý modul pre Mezinárodnú kozmickú stanicu využívajúci jej energetické zdroje.

Jeho štart k ISS sa viackrát odkladal a celý experiment sa predražoval. Nič iné ako raketoplány AMS detektor na orbitu k Medzinárodnej kozmickej stanici ISS vyniesť nedokáže, respektíve bolo by to veľmi drahé. Prišiel rok 2003 a nešťastný pád raketoplánu Columbia a zdalo sa, že to položí AMS na kolená. Pád Columbie viedol k prerušeniu programu letov raketoplánov. Trvalo viac než dva roky než boli štarty obnovené. Pri ohlásení obnovenia štartov bolo zároveň ohlásené ich penzionovanie po dokončení stavby Medzinárodnej kozmickej stanice. Keď padlo rozhodnutie o penzionovaní raketoplánov Bushovou administratívou, AMS v pláne budúcich letov nebol. Hrozilo tak, že sa experiment stane "najdrahším prístrojom/projektom v histórii vedy, ktorý nevyprodukoval žiadne výsledky". Navyše, bez AMS na ISS chýbal základný výskum s potenciálom priniesť fundamentálne nové výsledky. Silný tlak vedeckej komunity vrátane viacerých nositeľov nobelových cien však nakoniec viedol k schváleniu misie STS-134 Endeavou americkým kongresom v júni 2008. 
 

Alfa Magnetic Spectrometer - Anti Matter Spectrometer, skrátene AMS experiment

AMS experiment bude skúmať nabité energetické častice na orbite Zeme. Tieto sú nositeľom mnohých informácii o vesmíre. Z toho sa odvíjajú odvážne ciele AMS experimentu zahŕňajúce napríklad potvrdenie existencie tmavej hmoty, zistenie koľko antihmoty obsahuje náš vesmír či hľadanie tzv. strangeletov.

Pozrime sa bližšie o čo vlastne ide. Zvykli sme si a z hodín fyziky zväčša vieme, čo sú elementárne častice. Vieme, že medzi ne napríklad patria aj protóny a elektróny z ktorých sa skladajú atómy. Vieme, že keď je takýchto elementárnych častíc veľa, tak to nie je príliš dobré pre ľudské zdravie a preto sa stále v jadrových elektrárňach meria ich množstvo. Ak by ste si meracím prístrojom akým sa meria táto radiácia sadli do balónu a merali by ste ich počet pri jeho stúpaní, zistili by ste, že čím ste vyššie tým je častíc viac. Toto po prvý raz  (už to bude sto rokov) v roku 1912 zistil Victor Hess. Bola to vtedy záhada, ktorej riešenie prinieslo Hessovi v roku 1936 Nobelovu cenu. Zdrojmi žiarenia známymi pred storočím boli rádioaktívne horniny či ich spracovaním získané rádioaktívne materiály. To znamenalo, že pri lete ďalej od zeme by sa intenzita žiarenia mala znižovať, balónové experimenty však ukazovali opačný výsledok. Potvrdenie Hessových meraní viedlo k mýšlienke mimozemského pôvodu častích tohto žiarenia. Zrodil sa objav takzvaného kozmického žiarenia. Samotný názov kozmické žiarenie je tak trochu zavádzajúci. Toto žiarenie v skutočnosti nie je žiarením ale tvoria ho elementárne častice, zväčša protóny. Ako roky šli tak toho bolo o kozmickom žiarení známeho čoraz viac. Tieto informácie mali jednak praktický význam a jednak dopĺňali skladačku viacerých fundamentálnych teórii vo fyzike.

Praktický význam od začiatku letov do vesmíru. Nielen pre pilotované lety, kde zistenie množstva častíc na orbite Zeme a aj mimo nej určovalo ako bude kozmickým žiarením ohrozené zdravie kozmonautov, ale aj pre kozmický priemysel. Čo sa týka prvého spomenutého, na nízkej orbite Zeme sa situácia líši od letov k Mesiacu a ďalej. Pri pilotovanom lete na Mars budú kozmo-astro-taiko-nauti vystavení dlhodobému pôsobeniu kozmického žiarenia takej intenzity, že je potrebné  vyvinúť systém, ktorý ich pred ním ochráni. Pre lety na takzvanú nízku orbitu Zeme, takáto špeciálna ochrana nie je potrebná, keďže väčšinu žiarenia odtieni magnetické pole Zeme.

Čo sa týka kozmického priemyslu, ten zahŕňa mnoho aplikácií od telekomunikácii cez GPS až po presnejšiu predpoveď počasia. Všetky tieto služby závisia od satelitov a ich funkčnosť a dlhodobá prevádzka závisí od podmienok na ich orbitálnych dráhach. Ukázalo sa, že množstvo/intenzita častíc v okolí Zeme sa mení a niekedy je ich tak veľa, že poškodia citlivú elektroniku týchto satelitov. Podrobnejšie informácie o kozmickom žiarení sú základom pre predpovedanie období a časov kedy bude intenzita kozmického žiarenia príliš vysoká. Občas môže byť jeho intenzita tak vysoká, že ohrozí aj systémy na povrchu zeme. Takýmto udalostiam a kam až môžu viesť sme sa venovali v článku 150 rokov od najväčšej magnetickej búrky v histórii. Predpoveď takzvaného kozmického počasia, ktorá umožní ochranu pred následkami takýchto udalostí, bude tým presnejšia čím viac budeme o kozmickom žiarení vedieť. K tomu prispejú aj merania experimentu AMS.

Avšak význam AMS experimentu siaha ďalej, k základnému výskumu. Konkrétne napríklad aj k dvom fascinujúcim teória súčasnej fyziky. K teórii o vzniku nášho vesmíru a k teórii o existencii tmavej hmoty. Pokiaľ ide o prvú z nich, o Big Bang teóriu, tá predpovedá, že náš vesmír by mal obsahovať určité množstvá antihmoty. Presné zmeranie koľko jej je potvrdí či vyvráti predpoveď Big Bang teórie. Umožní ju spresniť alebo nám povie, že je nesprávna a je čas znovu sa zamyslieť ako to bolo. Aktuálne vieme, že určitých druhov antihmoty je málo, avšak nevieme presne ako málo je ich. AMS merania umožnia tisícnásobne presnejšie zmeranie než poskytli doterajšie experimenty.

Pri tmavej hmote, ďalšej záhade súčasnej fyziky, sa zisťuje, čo to vlastne je. Existuje viacero teórii s ich vlastnými kandidátmi. Existencia niektorých zahŕňa aj merateľné efekty v charakteristikách kozmického žiarenia. Ide o veľmi jemné efekty vyžadujúce presné merania. Presnejšie než boli doterajšie merania. Tieto môžu potvrdiť či vyvrátiť, že tmavou hmotou je ten ktorý podozrivý kandiát z teórii pokúšajúcich sa túto záhadu vysvetliť.

Čo sa týka presnosti, tá je častokrát kľúčová pokiaľ ide o zistenie nových vecí o svete okolo nás. Ilustračným príkladom môže byť ďalekohľad. Čím boli ďalekohľady presnejšie, tým viac informácii sme s ich pomocou získali. AMS je tak omnoho presnejším časticovým "ďalekohľadom" ako všetky doterajšie.

AMS je mimoriadne presný detektor. Takáto presnoť si vybrala svoju daň na parametroch detektora. Ide o skutočne veľký detektor v porovnaní s doterajšími časticovými detektormi na satelitoch či kozmických lodiach. Pokiaľ tie mali skôr veľkosť cestovného kufra a hmotnosť pár desiatok kilogramov, respektíve, čo sa týka oboch parametrov skôr menej, tak AMS má veľkosť minivanu a hmotnosť takmer 7 ton. Pri spotrebe energie je tento nepomer podobný. AMS sa podobá skôr na ohromné párstotonové detektory v podzemí CERNu. AMS meria nielen počet častíc, no presne zistí aj smer ich príchodu a ich typ. A prečo musí merať v kozme? Dôvodom je naša atmosféra. Tá podobne ako pri ďalekohľadoch a ich optickom pozorovaní tieni a z časti zabraňuje v príchode časticiam kozmického žiarenia na povrch zeme. Preto je potrebné meranie nad atmosférou.

PAMELA

Častokrát je to v histórii vedy tak, že existujú konkurenčné projekty, či tímy, ktoré sa zaoberajú rovnakou oblasťou. Aj AMS má svojho konkurenta. Je ním misia Pamela. Zaujímavé je, že sa zrodila neskôr, stála omnoho menej a vďaka odkladaniu štartu AMS dobehla do cieľa omnoho skôr. Pamela odštartovala v roku 2006 a do štartu AMS si pripísala na konto 5 úspešných rokov meraní.

A nielen, že odštartovala skôr, bola aj ďaleko lacnejšia. AMS sa svojimi nákladmi šplhá k sume 2 miliardy dolárov, misia Pamela stála päťdesiatinu. Rozdiel medzi AMS detektorom a detektorom misie Pamela je v množstve častíc, ktoré dokážu obe zachytiť. To je dôležité ak hľadáte veľmi zriedkavé javy. Povedzme, že máte jav, ktorý sa deje v jednom z milióna prípadov. Potom musíte vedieť zachytiť milión prípadov aby ste získali ten jeden vzácny, ktorý hľadáte. AMS je schopný zachytiť omnoho viac častíc ako Pamela a tak aj viac hľadaných zriedkavých prípadov (napr. jadrá antihélia).

Keďže Pamela bola v období predchádzajúcemu štartu AMS najpresnejším časticovým detektorom na orbite, tak možno takpovediac vypálila AMS rybník, keď skôr našla javy, ktoré AMS síce uvidí jasnejšie a vo väčšom množstve, no až ako druhý. Asi najvýznamnejší výsledok z jej doterajších meraní, zatiaľ v rovine hypotézy, je dôkaz existencie tmavej hmoty (zmeraný možný efekt jej anihilácie).

Bude zaujímavé sledovať, či AMS "len" spresní výsledky získané Pamela experimentom, alebo nájde niečo úplne nové, revolučné (čo si samozrejme všetci prajeme).