Proč Slunce svítí aneb Historie výzkumu slunečního záření (3.)

V předchozí, druhé části článku, přišlo na scénu neutrino. To je velmi těžké zachytit, protože jen velmi neochotně interaguje s hmotou. Jeho existenci se podařilo experimentálně prokázat až v roce 1955 a kromě něj doplnili vědci v následujících letech do zvěřince i další elementární částice: „těžké elektrony“ tauony a miony a příslušná tauonová a mionová neutrina. 

Pro proton-protonový cyklus však byla zapotřebí opačná reakce, bylo nutné vytvořit z protonu neutron. Dnes zmíněnou reakci označujeme jako inverzní beta rozpad: z protonu a elektronu vzniká neutron a elektronové neutrino. S tímto posledním dílkem ve skládačce pak proton-protonový cyklus vysvětloval zdroj energie Slunce více než uspokojivě. 

TIP: Nepřehlédněte první a druhou část článku!

Jak je zachytit?

Z výše popsaného je tedy zřejmé, že kromě fotonů záření by mělo být Slunce zdrojem proudu neutrin. Vzhledem k tomu, že neutrina mají velmi vysokou pronikavost, přinášela by téměř okamžitou informaci o dění v samotném jádře naší hvězdy – na rozdíl od fotonů, které nikdy neuniknou přímo, neboť je neustále rozptylují atomy sluneční látky. Mění se tím na spršku fotonů s nižšími energiemi, takže celkové kvantum energie vzniklé při termojaderných reakcích proniká k povrchovým vrstvám Slunce dlouhé stovky tisíc let. 

Pronikavost neutrin je současně jejich nejhorší myslitelnou vlastností, chceme-li je registrovat. Každou sekundu projde ploškou o hraně 1 cm 65 miliard neutrin slunečního původu. Odhaduje se přitom, že za celý lidský život se pouhá dvě z nich zachytí v našem těle. Jak tedy takové částice detekovat? 

Američan Raymond Davis si poradil a v roce 1967 dokončil obří neutrinový dalekohled: 1,5 km pod povrchem – kvůli ochraně před kosmickým zářením – umístil nádrže s 400 000 l perchloretylenu, čisticího prostředku používaného v domácnostech. Každá molekula zmíněné látky obsahuje čtyři atomy chloru, který by se při zásahu neutrinem měl změnit v radioaktivní argon. Jednou za pár týdnů promýval Davis nádrže heliem a zachycoval vzniklé atomy argonu v čítači (bylo jich vždy jen několik desítek). Tímto způsobem dokázal vyhodnotit, kolik neutrin se v nádržích zachytilo, a porovnat výsledek s předpovědí. Přišlo však překvapení: systematicky měřil pouze třetinu predikovaného počtu. 

Neutrinový problém

Zmíněný zádrhel vešel ve známost jako sluneční neutrinový problém a vědci hledali řešení. Buď bylo něco špatně s teoretickými modely vnitřní struktury Slunce, nebo se samotnými neutriny. Naše hvězda mohla mít nižší centrální teplotu (asi 13 milionů stupňů by vše uvedlo do souladu), mohla se vnitřně promíchávat nebo mohla vykazovat v nitru výrazně chudší chemické složení, což by též ovlivnilo efektivitu proton-protonového cyklu. 

V 60. letech 20. století však vstoupila na scénu helioseismologie, moderní obor slunečního výzkumu, který z pozorovaných vlastností seismických vln šířících se Sluncem umožnil stanovit vlastnosti nitra naší hvězdy. Helioseismické výsledky přitom perfektně ladily s tehdejšími teoretickými modely a prakticky vylučovaly nastíněné alternativy. 

Ital Bruno Pontecorvo již v roce 1967 poukázal, že jednotlivá neutrina by mohla volně přecházet mezi třemi známými typy. Davisův experiment možná detekoval pouze elektronová neutrina. Pontecorvo navrhoval, že určité množství elektronových neutrin z proton-protonového cyklu se mohlo během letu od Slunce přeměnit na neutrina tauonová či mionová, k nimž byl perchloretylen necitlivý. 

Na světě se však stavěly i další neutrinové detektory, s jinou pracovní látkou. Na počátku 21. století byla v kanadské provincii Ontario v bývalém niklovém dole uvedena do provozu Sudbury Neutrino Observatory. Jako pracovní látka se zde používala těžká voda (molekuly vody obsahují atomy těžkého vodíku – deuteria, které má v jádře kromě jednoho protonu také jeden neutron), jež vykazovala citlivost ke všem třem typům neutrin. V Japonsku zase vznikl detektor Kamiokande s čistou vodou coby pracovní látkou, který byl stejně jako jeho následovník Super-Kamiokande citlivý na elektronová a mionová neutrina. Na základě porovnání měřeného toku neutrin z těchto dvou experimentů se podařilo prokázat možnost neutrin přecházet mezi svými typy, tzv. neutrinové oscilace. 

Všechno zapadá

Nyní je tedy z hlediska základní fyziky vše v nejlepším pořádku. Zdrojem energie Slunce jsou termojaderné reakce vodíku, především v proton-protonovém cyklu. Zajišťují dostatek energie, aby právě kompenzovaly tepelné ztráty skrz „netěsný“ sluneční obal, a současně zaručují, že bude moct zmíněný proces probíhat dlouhodobě, po miliardy let. Zjištěné stáří Slunce je tudíž v souladu se stářím našeho solárního systému, a tedy i Země. A ani mezi astronomy a geology již nepanuje rozpor.