Kosmische spookdeeltjes blijken afkomstig uit ver sterrenstelsel met gigantisch zwart gat

We hebben er meer dan een eeuw op moeten wachten, maar nu hebben astronomen eindelijk beet. Ze vonden antwoord op een van de dwingendste vragen die de kosmos ons voorschotelt: de oorsprong van een astronomisch bombardement van straling en deeltjes dat de aarde continu onder vuur neemt.

Impressie van neutrinodetector IceCube met onder het ijs de detector en aan de hemel de blazar die neutrino’s uitzendt. Bron: Icecube/NSF

 

Ruim honderd jaar geleden werd ontdekt dat de aarde dag in dag uit bestookt wordt met kosmische straling. Van het grootste gedeelte daarvan kenden we inmiddels de oorsprong, maar de locatie van het grofste geschut – de bron van de meest energierijke deeltjes – bleef tot voor kort een mysterie. Deze energierijke ‘spookdeeltjes’ blijken nu afkomstig van een ver sterrenstelsel met een gigantisch zwart gat in het centrum.

Kosmische straling bestaat uit elektromagnetische straling, zoals gammastraling, en uit deeltjes zoals protonen, elektronen, atoomkernen en neutrino’s. Sinds de ontdekking van dit kosmische bombardement is alleen van de deeltjes met relatief weinig energie de oorsprong bepaald. Die blijken afkomstig van de zon en van een supernova-uitbarsting (het explosieve einde van het leven van een ster) die plaatsvond in de Melkweg (Supernova 1987A).

‘Met de nieuwe ontdekking hebben we nog niet de hele vraag beantwoord’, zegt Francis Halzen, hoogleraar theoretische natuurkunde en hoofdonderzoeker bij IceCube, een neutrinodetector van een kubieke kilometer groot in het zuidpoolijs. ‘Maar we hebben wel voor het eerst een mogelijke extragalactische bron geïdentificeerd van een hoogenergetisch neutrino.’

Neutrino

De boodschapper die naar de bron wees was een energierijk neutrino die afgelopen september tegen een atoom in het zuidpoolijs botste. Dat leverde een lichtflitsje op dat gedetecteerd werd door IceCube.

Neutrino’s zijn piepkleine, ongeladen deeltjes. Ze vliegen bijna overal doorheen. Zelfs van de aarde merken ze praktisch niets. Doordat ze geen elektrische lading hebben worden ze bovendien niet afgebogen door kosmische magnetische velden. Daardoor vliegen ze ongehinderd, in een rechte lijn door de ruimte. Als je die lijn waar ze vandaan komen terugvolgt dan kom je vanzelf bij hun oorsprong. Andere kosmische deeltjes raken verstrooid door interstellair gas of worden afgebogen door kosmische magnetische velden, zegt Halzen. ‘De neutrino’s zijn de enige boodschappers die recht naar hun bron wijzen.’

Diezelfde eigenschappen zorgen er ook voor dat neutrino’s lastig te detecteren zijn. Slechts heel af en toe botst er eentje met een atoom in de detector en laat het een spoor achter. Metingen van hoogenergetische neutrino’s zijn zeldzaam.

Telescopen

Blazars zijn actieve sterrenstelsels die een gebundelde stroom van straling en deeltjes (‘jets’) uitzenden. Bron: IceCube/NASA

Toen IceCube in september een hoogenergetisch neutrino zag, bepaalde de analysesoftware binnen een minuut de richting van waar het deeltje vandaan kwam. Die informatie verstuurde de detector automatisch naar telescopen op aarde en in de ruimte. Zij richtten hun kijkers op de plek aan de hemel waar het neutrino vandaan kwam en zagen een blazar.

Een blazar is een sterrenstelsel met in het midden een gigantisch zwart gat dat materie aan het opslokken is. Hierbij komt veel energie vrij waardoor een blazar een krachtige, gebundelde stroom van elektromagnetische straling en deeltjes (genaamd jets) uitzendt.

Gelijktijdig met de neutrino-detectie maakte de blazar een extra actieve fase van zijn leven door. Op zo’n moment zendt hij extra veel energierijke gammastraling uit. De energie van deze straling komt overeen met die van het neutrino. ‘Dat het neutrino gelijktijdig met deze gammastraling gezien werd, geeft aan dat de blazar zeer waarschijnlijk de bron is en dat de neutrino’s niet verder weg of dichterbij geproduceerd werden’, zegt astrodeeltjesfysicus Gianfranco Bertone de Universiteit van Amsterdam. Hij was niet betrokken bij het onderzoek, maar noemt het een belangrijke ontdekking.

Meer neutrino’s

Maar één hoogenergetische neutrino en een actieve blazer die tegelijkertijd uit dezelfde richting komen, kan toeval zijn. Daarom besloten de onderzoekers van IceCube hun data nog eens goed door te spitten. Ze ontdekten dat er voor de detectie van het neutrino in september een  periode van een paar maanden was waarin meer neutrino’s uit de richting van de blazar kwamen. Deze waren eerder niet opgemerkt omdat ze niet samenvielen met de detectie van gammastraling. Daardoor kon destijds geen bron aangewezen worden. Hierdoor raakten de onderzoekers ervan overtuigd dat de blazar de oorsprong van de hoogenergetische deeltjes is. Het leidde vandaag tot twee publicaties in het wetenschappelijke tijdschrift Science.

Dat de bron een blazar blijkt, verbaast Bertone niet. ‘We wisten dat blazars een kandidaat zijn. In de krachtige straling van de jets kunnen deeltjes namelijk tot hoge snelheden versneld worden.’ Volgens theorieën kunnen bij heftige botsingen tussen die deeltjes neutrino’s geproduceerd worden.

Of dit inderdaad de manier is waarop de blazar de neutrino’s produceert, is nog niet zeker. ‘Door meer informatie over de blazar te verzamelen met verschillende telescopen, hopen we daar achter te komen’, zegt Halzen. Deze informatie kan wetenschappers ook helpen om te achterhalen welke kosmische processen neutrino’s produceren.

‘Dit is geen ontdekking van IceCube alleen’, zegt hij. ‘Het is een ontdekking van meerdere observatoria samen. Geen enkele telescoop had dit alleen gekund.’

Mis niet langer het laatste wetenschapsnieuws en meld je nu gratis aan voor de nieuwsbrief van New Scientist.

Lees verder:

Over de auteur

Dorine Schenk

Dorine Schenk is freelance wetenschapsjournalist voor o.a. NRC en New Scientist. Ze studeerde (astro-)deeltjesfysica aan de Universiteit van Amsterdam. Daarnaast houdt ze van hardlopen. Volg haar op Twitter via @dorineschenk.



Plaats een reactie