Naar de content

Straling van buiten de Melkweg

Kosmische straling met ultrahoge energie komt uit andere sterrenstelsels

Steven Saffi, Pierre Auger observatory

De oorsprong van kosmische straling met ultrahoge energie was altijd nog een raadsel. Twaalf jaar aan waarnemingen met de Auger-telescoop in Argentinië bewijst nu dat deze straling van buiten de Melkweg komt. Uit sterrenstelsels tot op een afstand van een paar honderd miljoen lichtjaar.

22 september 2017

Het heelal stuurt protonen en atoomkernen op de aarde af met een energie die miljoenen malen groter is dan wat de LHC – de grootste aardse deeltjesversneller – kan produceren. Een zo’n atoomkern heeft ongeveer evenveel bewegingsenergie als een kogeltje uit een luchtbuks. We weten niet waar en hoe ze ontstaan, of hoe ze aan die exorbitante energie (meer dan 1018 elektronvolt) komen. Tot nu toe wisten we niet eens of die straling uit ons eigen Melkwegstelsel komt, of van veel verder weg, uit andere sterrenstelsels.

Dat deze kosmische straling met ultrahoge energie – in het Engels afgekort tot UHECR – bestaat, is al vijftig jaar bekend. Maar het is heel lastig om er meer over te weten te komen. Zulke deeltjes raken hoog in de atmosfeer altijd een atoomkern in een molecuul lucht (meestal zuurstof of stikstof). Daarna treedt een kernreactie op, die secundaire deeltjes produceert (vooral pionen en muonen), die vervallen of opnieuw kernreacties aangaan met andere atoomkernen in de lucht.

Sproeibui

Elk UHECR-deeltje triggert alsdus een sproeibui (shower) van miljarden secundaire deeltjes, die bijna tegelijkertijd over een oppervlakte van twintig vierkante kilometer het aardoppervlak raken. Het Pierre Auger Observatorium is speciaal gebouwd om zulke showers te detecteren. Het bestaat uit een netwerk van detectors en telescopen over een oppervlakte van drieduizend vierkante kilometer, op een onbewoond stuk pampa in Argentinië. Het detectornetwerk moet zo groot zijn omdat UHECR-deeltjes uitermate zeldzaam zijn: er komt ongeveer één UHECR-deeltje neer per jaar per vierkante kilometer aardoppervlak.

Het huidige Auger Observatorium kan uit de kleine verschillen in aankomsttijden van de secundaire deeltjes in de shower ongeveer bepalen uit welke richting een UHECR-deeltje kwam. Maar niet of het een proton was, of een atoomkern van zuurstof of een zwaarder element, zoals ijzer. De afgelopen twaalf jaar heeft Auger ongeveer 32.000 showers gedetecteerd.

Hemelkaart (vergelijkbaar met een wereldkaart) met de intensiteit van kosmische straling met ultrahoge energie. Vanaf de rode kant van de hemel raakt ongeveer tien procent vaker een deeltje de detector dan vanaf de blauwe kant. Dit type onbalans wordt een dipool genoemd. Het aantal deeltjes is gering, zoals blijkt uit de verticale schaal: nog geen half deeltje per vierkante kilometer aardoppervlak per jaar per steradiaal (de hemelbol boven de horizon beslaat iets meer dan zes steradiaal). Het witte gedeelte, in het noorden, is het deel van de hemel dat het Auger-observatorium niet kan zien, omdat het in Argentinië ligt, op het zuidelijk halfrond.

The Pierre Auger Collaboration, Science

Megaklus

In vakblad Science rapporteert het Auger-team nu de resultaten. Het bouwen van het observatorium was een megaklus, evenals het twaalf jaar lang in bedrijf houden ervan: het artikel vermeldt in de credits dan ook vierhonderd auteurs en tientallen wetenschappelijke instituten, waaronder de Radboud Universiteit in Nijmegen.

Het onderzoeksteam concludeert dat de oorsprong van UHECR-deeltjes met een energie hoger dan 8 × 1018 elektronvolt tamelijk egaal over de hemel verdeeld is, maar met een veelzeggende afwijking: één kant van de hemel vertoont een bescheiden overschot, de tegenoverliggende kant een ongeveer even groot tekort. In technisch jargon: de verdeling vertoont een dipool. Daarentegen zijn deeltjes met een lagere energie wel egaal over de hemel verdeeld.

Definitief

Het team trekt hier vérstrekkende conclusies uit: UHECR-deeltjes zijn niet afkomstig uit ons eigen Melkwegstelsel, maar uit andere sterrenstelsels op miljoenen lichtjaren afstand. Immers, als de bron of bronnen in onze eigen Melkweg lagen, zouden de UHECR-deeltjes niet egaal over de hemel verdeeld zijn, maar vooral afkomstig uit de brede band aan de hemel die we De Melkweg noemen. Mede-auteur Sijbrand de Jong, hoogleraar deeltjesfysica aan de Radboud Universiteit: “Dit is echt het definitieve antwoord op deze vraag. De kans dat dit een toevallige statistische afwijking is, is minder dan één op een miljoen.”

Maar de dipoolafwijking in de egale verdeling geeft extra informatie: UHECR-deeltjes komen uit sterrenstelsels tot een afstand van een paar honderd miljoen lichtjaar, maar niet nog verder weg. De richting van de dipool komt namelijk keurig overeen met een onbalans in de verdeling van sterrenstelsels om ons heen tot op die afstand. Dat wil zeggen: in de richting van het overschot aan deeltjes zit ook een overschot aan sterrenstelsels, en vice versa (mits je in rekening brengt, dat de deeltjes worden afgebogen door het magnetisch veld van de Melkweg).

Op zeer grote schaal – miljarden lichtjaren – is het heelal homogeen en in alle richtingen hetzelfde. Als UHECR-deeltjes ook uit sterrenstelsels op miljarden lichtjaren afstand kwamen, zou elke lokale onbalans in het aantal sterrenstelsels uitmiddellen, en zou er geen dipool zijn.

Upgrade

Voor De Jong komt het goed uit dat deze decenniaoude vraag over de oorsprong van UHECR-deeltjes nu afgedaan is. Samen met anderen is zijn onderzoeksgroep IMAPP namelijk druk bezig met de upgrade van Auger. Hun doel: individuele sterrenstelsels identificeren die UHECR-deeltjes uitzenden.

Daarvoor moet Auger veel nauwkeuriger, tot op 1 graad, de oorspronkelijke richting kunnen bepalen waaruit een UHECR-deeltje afkomstig is. Dat lukt alleen bij protonen, niet bij zwaardere atoomkernen, omdat die sterker worden afgebogen door het magnetisch veld van de Melkweg. De Jong: “We hebben nu ideeën hoe je dat kan doen, onder andere door het aandeel muonen in een shower te bepalen.” Dit aandeel is des te groter naarmate een atoomkern zwaarder is. Door de detector geschikt te maken om individuele deeltjes in een shower te identificeren, kun je alleen die showers selecteren die zijn veroorzaakt door een proton, en die wijzen vrij nauwkeurig terug naar hun bron.

Op die manier, is de hoop, kun je vervolgens met optische telescopen een sterrenstelsel identificeren dat UHECR-deeltjes uitzendt. Waarschijnlijk zullen dat sterrenstelsels zijn met een actief zwart gat in het centrum, dat enorme jets (straalstromen) uitstoot. Het staat wel vast, dat die jets vooral bestaan uit geladen deeltjes met een zeer hoge energie.

Maar willen deeltjes in zo’n jet de ultrahoge energie van een UHECR-deeltje krijgen, dan moeten die door schokgolven in de jet nog veel verder opgejut worden. Dit zijn gecompliceerde processen waarvan de details nog niet goed begrepen worden, en die nog niet door waarnemingen geverifieerd zijn. Het Auger-observatorium kan daarin na de upgrade, vanaf 2019, de volgende stap gaan zetten.

Bron

The Pierre Auger Collaboration, Observation of a large-scale anisotropy in the arrival directions of cosmic rays above 8 × 1018 eV, Science (22 september 2017). DOI: 10.1126/science.aan4338

ReactiesReageer