Praha, 7. srpna 2026
Dva zcela odlišné fyzikální procesy v kosmu se mohou v závislosti na rychlosti a poloze družice jevit totožně. Pro vědce je proto extrémně těžké určit, jak přesně jsou částice v radiačních pásech kolem Země i dalších planet urychlovány a rozptylovány, ukazuje nová studie. Stojí za ní mezinárodní tým pod záštitou International Space Science Institute (ISSI) vedený vědci z Ústavu fyziky atmosféry Akademie věd ČR a z Univerzity v Birminghamu.
Vysokoenergetické částice v zemském radiačním pásu mohou na první pohled vyvolat dojem, že se pohybují zcela náhodně – i ve chvíli, kdy se tak děje podle přesně daných a předvídatelných pravidel. Družicová měření totiž přirozeně stírají jemné detaily v jejich rozdělení v prostoru.
Mezinárodní tým pod záštitou International Space Science Institute (ISSI) publikoval v časopise Physical Review Research na toto téma studii, na níž se významně podíleli i čeští vědci. „Ukázalo se, že i uspořádaný, tzv. deterministický pohyb částic vytváří při pohledu ze satelitu vzorce, které od náhodného pohybu (difúze) téměř nelze rozeznat,“ vysvětluje Adnane Osmane, hlavní autor studie z Univerzity v Helsinkách. „Pro nás kosmické fyziky to představuje zásadní oříšek: zcela odlišné přírodní procesy totiž zanechávají v datech prakticky stejnou stopu,“ doplňuje spoluautor studie a vedoucí ISSI týmu Mirek Hanzelka z Ústavu fyziky atmosféry Akademie věd ČR.
Radiační pásy jsou prstencovité oblasti, v nichž magnetické pole planety zachytává částice nabité vysokou energií. Najdeme je nejen u Země, ale třeba i u Saturnu, Jupiteru, jeho měsíce Ganymedu nebo u nedávno objevených chladných hnědých trpaslíků. Rozumět pohybu částic v těchto oblastech je klíčové – mohou totiž vážně poškodit družicové přístroje, vyřadit z provozu komunikaci nebo ohrozit vesmírné mise.
Shluky energetických částic vytvářejí při svém putování magnetickým polem stále složitější a jemnější struktury, které lze nicméně popsat zcela deterministicky, bez potřeby uchýlit se k teorii náhodných dějů. Jenže když je zaznamená jedna družice limitovaná pohybem po pevně dané dráze, rozdíly mezi časovým vývojem a prostorovými strukturami splynou a výsledek působí hladce a „rozptýleně, difúzně“ – a to i tehdy, když přístroje mají vysoké časové a energetické rozlišení.
Spoluautor studie a spoluvedoucí týmu Oliver Allanson z Birminghamské univerzity vysvětluje: „Jeden z nejdůležitějších poznatků naší práce je, že naměřená data nemusejí nutně odhalit fyzikální děj, který je způsobil. I velmi strukturované chování částic může na detektorech zanechat obraz, který vypadá jako obyčejná difúze. Různé typy transportu částic tak vytvářejí stejný 'otisk', což dělá interpretaci dat nesrovnatelně složitější, než jsme si dosud připouštěli.“
Družice totiž při průletu radiačními pásy potkává částice, které kolem planety obíhají mírně odlišnou rychlostí. Zrovna tyto rychlostní rozdíly způsobují, že i dokonale uspořádané struktury částic vypadají na monitoru přesně tak, jako by je náhodně rozptylovaly plazmové vlny – a to i v situaci, kdy na ně žádné vlny nepůsobí.
Vědci si při vysvětlování pomáhají přirovnáním z výtvarného umění. Zatímco obrazy Jacksona Pollocka jsou plné složitých čar, kapek a divokých struktur, díla Marka Rothka tvoří velké, hladké barevné plochy. Otázkou ale je, co se stane, když ztratíme schopnost rozlišovat detaily. Pollockův obraz se nepromění v Rothkův – pouze se jeho jemná struktura schová lidskému oku. A přesně tak se neztrácí ani složitý pohyb částic ve vesmíru; pouze ho přístroje nedokážou zachytit, a tak se vysoce strukturovaný děj jeví jako hladký rozptyl.
Jak měření z družic vytvářejí iluzi difúze částic Vlevo: Náhlý vstup energetických částic do zemského radiačního pásu. Uprostřed: Protože částice driftují různými rychlostmi, tento mrak částic se protahuje do čím dál jemnějších vláknitých struktur, přičemž si zachovává vysokou míru uspořádanosti. Vpravo: Při pozorování družicí tyto jemné detaily splývají, takže populace částic působí hladce a rozptýleně (difúzně) – přestože samotný pohyb částic zůstává strukturovaný, nikoli náhodný.
Mirek Hanzelka z Ústavu fyziky atmosféry AV ČR k tomu dodává: „Náš výzkum odhaluje omezení mnoha dosavadních vesmírných misí. Jediná družice zkrátka nedokáže spolehlivě odlišit, co je změna v prostoru a co změna v čase. Je to silný argument pro to, abychom do budoucna vysílali celé konstelace vědeckých mikrosatelitů, které dokážou stejné skupiny částic sledovat na více místech najednou.“
Tento výzkum je jednou z prvních vědeckých publikací vycházejících ze spolupráce mezinárodního týmu ISSI a dokazuje význam, které má propojování odborníků na družicová pozorování, teoretickou fyziku a počítačové modelování při řešení otázek vesmírné vědy.
Odkaz na studii:
Odkaz na vědecký tým ISSI:
Zúčastněné instituce: University of Helsinki, Finsko; Ústav fyziky atmosféry Akademie věd České republiky, Česká republika; University of Birmingham, UK; University of Exeter, UK; University of California, USA; University of Texas, USA; Air Force Research Laboratory Space Vehicles Directorate, New Mexico, USA.
Artwork by Cosima-Lea Baier, ISSI.
Artwork by Cosima-Lea Baier, ISSI.