Neutrino wijst de weg naar kosmische schutter

Nog nooit zette de waarneming van één ogenschijnlijk pietluttig elementair deeltje zó’n astronomisch grote zoektocht in werking. Maar liefst achttien observatoria – van radiotelescopen op aarde tot gammatelescopen in de ruimte – werden afgelopen september gericht op een plek ter grootte van twee volle manen aan de noordelijke sterrenhemel. Uit die richting kwam eerder met extreem hoge energie een neutrino.

Het neutrino was geregistreerd door IceCube, een detector diep verstopt in het zuidpoolijs. Bijzonder is een neutrino niet – er zijn meer neutrino’s dan atomen in het universum en ze vliegen doorgaans ongemerkt overal doorheen. Het door IceCube ‘gevangen’ deeltje was dan ook anders. Het botste met een geweldig hoge energie op een atoom in het zuidpoolijs, naar schatting met 290 TeV. Van dergelijke krachtpatsers meet IceCube er hoogstens een handvol per jaar.

Kosmische straling

Die hoge energie wekte interesse van wetenschappers. Het neutrino was wellicht afkomstig van een plek in het heelal waar materie tot duizelingwekkende energieën wordt opgejaagd. Een plek die misschien ook leverancier is van ándere hoogenergetische deeltjes die de aarde continu bestoken: zogenoemde kosmische straling. Protonen en atoomkernen met energieën honderden miljoenen malen hoger dan die van deeltjes in deeltjesversnellers zoals de Large Hadron Collider.

Van kosmische straling is het bestaan al ruim honderd jaar bekend, maar de identificatie van de bronnen is lastig. Het is inmiddels duidelijk dat supernova-explosies het genereren, maar er zijn waarschijnlijk meer bronnen. Op de door het neutrino aangewezen plek vonden astronomen een zogenoemde blazar, een helder sterrenstelsel met in het centrum een zwaar zwart gat dat grote hoeveelheden hoogenergetische straling en materie het universum in slingert. Het is de eerste keer dat wetenschappers aantonen dat kosmische straling uit zo’n blazar komt. Het wetenschappelijke tijdschrift Science publiceert het onderzoek deze week.

Vurende blazar

De talloze vervolgmetingen waren mogelijk door een bericht dat het computersysteem van de IceCube (doorgaans binnen een minuut) automatisch de deur uit doet op het moment van een bijzondere detectie. Zo’n soort bericht volgt ongeveer vier keer per jaar en gaat naar alle belangrijke astronomische observatoria in de wereld. Zo konden telescopen waaronder het Fermi-ruimteobservatorium (gammastraling), de Very Large Telescope (optisch) en het Very Large Array (radiostraling) hun zoekers allemaal razendsnel richtten op de neutrino-bron.

Daar vonden ze een ver maar helder sterrenstelsel van de zogenoemde _blazar_-categorie, bekend onder de catalogusnaam TXS 0506+056. Een blazar bezit in zijn kern een monsterlijk zwaar zwart gat dat materie tot ontzaglijke energieën opzweept. Vervolgens stuurt het een deel van die materie als een energierijke en smalle stroom van deeltjes en straling naar buiten. Omdat de aarde toevalligerwijs precies in het verlengde van deze stroom ligt, verschijnt deze blazar als een relatief helder punt aan de hemel, ondanks de afstand van zo’n drie tot vier miljard lichtjaar.

Naast de ‘lichtmetingen’ is ook geprobeerd om meer neutrino’s te meten van deze blazar, met IceCube en ANTARES, een Europese neutrinodetector in de Middellandse Zee. Dat is lastig. Ondanks hun grote getale gaan neutrino’s zoals gezegd nauwelijks interactie aan met normale materie (en dus met detectoren op aarde). In een bijgaande publicatie in dezelfde editie van Science schrijven onderzoekers dat ze in verzamelde gegevens van IceCube uit 2014 en 2015 zo’n dertien neutrino’s met hoge energie hebben gedetecteerd uit de richting van de blazar.

Meerdere boodschappers

Astronomen zijn verheugd. Ten eerste omdat het neutrino voor het eerst de weg wijst naar een bron van hoogenergetische kosmische straling (de deeltjes ontstaan bij interacties van die straling). Juist het feit dat neutrino’s nauwelijks met normale materie reageren kwam hier overigens van pas: ze reizen miljarden lichtjaren ongehinderd en in vrijwel kaarsrechte lijnen door het universum. De (geladen) deeltjes van kosmische straling zelf worden onderweg doorgaans afgebogen door magneetvelden, waardoor hun bron niet meer te achterhalen is.

Ten tweede is dit een sterk staaltje van wat astronomen graag _multi messenger_-astronomie noemen. Dat is het bestuderen van een object via verschillende ‘boodschappers’, in dit geval neutrino’s en lichtdeeltjes. Afgelopen jaren zagen we al een andere variant waarbij zwaartekrachtgolven en lichtdeeltjes werden gebruikt. “Doorgaans leer je met verschillende methodes veel meer over het bestudeerde object”, zegt Dorothea Samtleben, onderzoeker bij Nikhef en universitair hoofddocent van de Universiteit Leiden, die zijdelings bij dit onderzoek betrokken was. “Alleen de gammastraling was in dit geval niet voldoende geweest om vast te stellen dat hier kosmische straling ontstaat.”

Samtleben is blij met de ontdekking, ook omdat het belangrijk is voor de KM3NeT-detector waar ze bij betrokken is. Dit neutrino-observatorium verrijst momenteel in de Middellandse Zee. “Dit is geweldig nieuws. We weten nu dat deze bronnen er zijn, en omdat KM3NeT niet in ijs maar in water zit zal hij de positie van neutrinobronnen met een nog grotere precisie kunnen vaststellen.”