Terwijl je deze zin leest, word je aangevallen. Terwijl je naar je werk fietst, boodschappen doet en zelfs als je slaapt wordt je lichaam constant gebombardeerd door energierijke deeltjes uit de ruimte. Het is voor astronomen een hele klus om deze straling te detecteren en te onderzoeken te midden van alle storingsbronnen op aarde en in de Melkweg.
Een eeuw nadat kosmische straling ontdekt werd, weten we eigenlijk nog steeds niet wat het is en waar het precies vandaan komt. We denken dat het elektrisch geladen deeltjes zijn met een relatief zware massa – zoals een proton of atoomkern – die op hoge snelheid door het heelal bewegen. En omdat ze een hoge bewegingsenergie hebben, denken we dat ze ontstaan bij heftige gebeurtenissen in het heelal, zoals supernovae.
De deeltjes met de allerhoogste energieën komen waarschijnlijk van buiten ons melkwegstelsel: het galactisch magneetveld (magneetveld van het melkwegstelsel) kan deeltjes met zulke hoge snelheden namelijk niet vasthouden. Maar helaas vinden we de bron niet door simpelweg een rechte lijn te trekken vanaf de richting van aankomst: het galactisch magneetveld beïnvloedt namelijk wel het pad van de geladen deeltjes.
Hoe hoger de energie, hoe zeldzamer het deeltje. Dat betekent dat we niet veel hoog-energetische deeltjes meten: slechts één per jaar per vierkante kilometer. Om toch zoveel mogelijk data te verzamelen zijn er gigantische detectoren gebouwd, zoals het Pierre Auger-observatorium in Argentinië met hetzelfde oppervlakte als de provincie Friesland. Zo’n reusachtig observatorium kunnen we niet de ruimte in sturen. Jammer, want op het aardoppervlak kunnen we kosmische straling niet direct meten. Het oorspronkelijke kosmische deeltje bereikt de aarde namelijk niet: hij botst met de atomen in de atmosfeer en vervalt hierdoor in wel miljoenen andere deeltjes.
Het Pierre Auger-observatorium combineert drie detectiemethoden in het onderzoek van kosmische straling. Allereerst zijn er de fluorescentie-detectoren, die het licht meten dat uitgezonden wordt door aangeslagen moleculen in de atmosfeer die terugvallen in hun grondtoestand.
Verder zijn er de deeltjesdetectoren: grote watertanks op de grond die het zogenoemde Cherenkovlicht meten van de deeltjes die door het water reizen. En als derde gebruiken we radiodetectoren om de verandering in het elektrisch veld meten dat ontstaat door de interactie van de kosmische straling met de atmosfeer.
Artistieke impressie van een deeltjeslawine.
ASPERA/G.Toma/A.SaftoiuAls een sneeuwbal door een struik
De interactie tussen kosmische deeltjes en de atomen in de atmosfeer lijkt op het gooien van een sneeuwbal. Wanneer je een stevige sneeuwbal een aantal meter weggooit zonder dat er iets in de weg staat, is hij nog steeds heel als hij de grond raakt. Maar als je dezelfde sneeuwbal door een struik gooit, dan breekt hij in stukken. Stukken die wij in het geval van kosmische straling kunnen meten.
Een deeltje dat door de atmosfeer beweegt botst en breekt op in kleinere, andere deeltjes. Het hele proces blijft zich herhalen, waardoor er een lawine aan deeltjes ontstaat. Zo creëert één enkel deeltje uit het heelal miljoenen deeltjes die op de aarde terecht komen. Deze deeltjeslawine wordt ook een extensive air shower genoemd en bestaat voornamelijk uit elektronen en positronen, maar ook muonen, kaonen, pionen en fotonen.
Kosmische straling veroorzaakt door de interactie met de aardatmosfeer een deeltjeslawine die door detectoren kan worden waargenomen.
L.Bret/Novapix/ASPERAStroom in de atmosfeer
Maar ook het detecteren van deze deeltjeslawine is een kunst op zich en gebeurt indirect. Elektronen en positronen zijn elkaars antideeltje: ze hebben dezelfde eigenschappen, behalve de lading. Dat verschil in lading zorgt ervoor ze onder invloed van de lorentzkracht van het magneetveld van de aarde worden gescheiden. Zo ontstaat er een netto elektrische stroom binnen de deeltjeslawine. En terwijl de lawine door de atmosfeer reist, slaan de hoog-energetische deeltjes ook elektronen los uit atmosferische atomen. Hierdoor reizen er extra elektronen met de lawine mee, en blijven positieve ionen achter, wat weer een tweede netto stroom oplevert.
Dankzij de ze twee elektrische stromen ontstaat er een elektrische potentiaal die varieert in de tijd, en zo detecteerbare elektromagnetische straling met een golflengte van een tiental meters. Maar in dit gedeelte van het frequentiespectrum is het druk: het wordt bijvoorbeeld ook gebruikt door radiostations en communicatiekanalen.
Omdat wetenschappers niet geïnteresseerd zijn in deze signalen noemen we dit ‘ruis’. Hoe meer ruis je meet, hoe moeilijker het is om het specifieke signaal van de kosmische deeltjes te herkennen in je data. Daarom proberen we op slimme manieren de ruis uit onze metingen te halen.
Herrie in je metingen
De ruisbronnen in het radiofrequentiespectrum worden verdeeld in drie soorten. De eerste soort bestaat uit signalen die worden uitgezonden op een specifieke frequentie, bijvoorbeeld een radiostation of een noodbaken van een vliegtuig. Deze ruis kunnen we relatief eenvoudig verwijderen met een filter, juist omdat het op een specifieke frequentie wordt uitgezonden.
De tweede soort is ruis is galactische ruis, vooral afkomstig uit het centrum van ons eigen melkwegstelsel. De derde soort ruis wordt transients genoemd: korte, onverwachte uitschieters in het elektrisch veld. Deze kunnen worden veroorzaakt door van alles: een voorbijrijdende auto, een slecht geïsoleerde elektriciteitslijn of een koelkast die aanslaat.
Helaas zijn de galactische ruis en deze transients niet weg te filteren, omdat hun signaal over te veel frequenties is ‘uitgesmeerd’. Maar we kunnen het wel gebruiken als graadmeter voor de gezondheid van onze radiodetectoren. Dat komt omdat deze ruis altijd aanwezig is en zolang een radiodetector ruis meet, werkt hij goed. Om te bepalen wat een gezonde hoeveelheid ruis is, gebruiken we onze eigen metingen. Hierin herkennen we de galactische ruis als de brede band rond de middenlijn en de korte, onverwachte uitschieters als transients. Of kosmische straling natuurlijk…
Een typisch voorbeeld van een mogelijke meting van kosmische straling. De brede blauwe band rond de middellijn is de ruis. De uitschieters zijn misschien signalen van kosmische straling, maar misschien ook tijdelijke storingsbronnen.
RvdHKapotte detectoren vinden met statistiek
Om de gezondheid van een radiodetector te meten, willen we graag weten hoeveel ruis het meet. We tellen als het ware het aantal uitschieten in de metingen en bepalen de hoeveelheid (galactische) ruis.
Een radiostation van het Pierre Auger-observatorium op de pampa in Argentinië.
Anna NellesAls bijvoorbeeld het aantal uitschieters plotseling afwijkt van de gemiddelde waarden die zijn bepaald tijdens eerder onderzoek, kan het zijn dat er iets veranderd is in de omgeving van de detector of dat hij niet meer goed werkt. Met 120 radiodetectoren, zoals het Pierre Auger-observatorium heeft, is zo’n ‘ruisdagboek’ toch makkelijker dan alle detectoren elke dag langslopen om te kijken of alles nog werkt.
Zo kan ruis ons helpen om ervoor te zorgen dat we snel een defecte detector herkennen. Want als er maar een paar hoog-energetische deeltjes per jaar komen, dan wil je zeker zijn dat je die kunt meten!