Je leest:

Daar komen de squashballen

Daar komen de squashballen

Auteur: | 22 november 2007

Uiterst energierijke kosmische straling is afkomstig van zware zwarte gaten. Dat is net ontdekt met behulp van zestienhonderd jacuzzi’s in de pampa van Argentinië. ‘Dit is heel overtuigend.’

Zeer uitgestrekt, heel erg stil, en verschrikkelijk zonnig. Ad van den Berg van het Kernfysisch Versneller Instituut (KVI) in Groningen was tweeënhalf jaar geleden voor het eerst op de Argentijnse Pampa Amarilla, waar de afgelopen jaren het Pierre Auger Cosmic Ray Observatory is verrezen. ‘Bijzonder indrukwekkend,’ zegt hij. ‘Af en toe trekt er een boer langs met een kudde schapen, maar verder ben je vooral heel ver weg van bijna alles. De nachtelijke sterrenhemel is er adembenemend.’

Het Pierre Auger-observatorium is geen gewone sterrenwacht. Er worden geen foto’s van sterren en planeten gemaakt, en geen radiogolven uit het heelal opgevangen. In plaats daarvan ‘kijkt’ het nieuwe observatorium naar kosmische straling. Deze week is in Science de eerste revolutionaire ontdekking gepubliceerd: de meest energierijke kosmische straling is afkomstig van superzware zwarte gaten in actieve sterrenstelsels op vele tientallen miljoenen lichtjaren afstand.

Zuidelijke Auger-site vlakbij Malarguë in Argentinië. (bron: Auger.org)

Kosmische straling is helemaal geen straling in de gewone zin van het woord. Het gaat om elektrisch geladen deeltjes uit het heelal die met extreem hoge energie en met bijna de lichtsnelheid kriskras door de ruimte bewegen. Die deeltjes regenen voortdurend neer op de aarde, waar ze tegengehouden worden in de dampkring. Ze werden daardoor pas in 1912 ontdekt door de Oostenrijkse natuurkundige Victor Hess, die ballontochten maakte met geigertellers aan boord.

Kosmische straling bestaat dus echt uit deeltjes. Negentig procent protonen (de kernen van waterstofatomen), negen procent alfadeeltjes (heliumkernen) en ongeveer één procent elektronen. Tastbare materie van buiten de aarde. Onze eigen zon produceert kosmische straling met een relatief lage energie. Andere deeltjes zijn tot enorme energieën opgezweept door schokgolven in supernova-explosies. Maar de herkomst van de meest energierijke kosmische straling is altijd een mysterie geweest.

Voor Heino Falcke van de Radboud Universiteit Nijmegen komt de ontdekking van het Pierre Auger-observatorium niet echt als een verrassing. Falcke is expert op het gebied van actieve sterrenstelsels, en vermoedde al lange tijd dat ultra high energy cosmic rays (UHECRs) afkomstig zijn uit de omgeving van superzware zwarte gaten. ‘Maar,’ zegt hij, ‘lang niet iedereen in de kosmische-stralingsgemeenschap had dit resultaat verwacht.’ Hoe de deeltjes precies aan hun extreem hoge energieën komen is overigens nog steeds een raadsel.

Een deeltje uit de kosmische straling slaat boven Chicago op de atmosfeer en produceert een ‘particle shower’ van vervalsproducten. (bron: Creighton University.)

‘Oh my God’

Extreem is het allemaal wel. Hoe sneller een elektrisch geladen deeltje beweegt (en hoe zwaarder het is), des te hoger is de energie. De elektronen in de beeldbuis van een ouderwetse televisie hebben bijvoorbeeld een energie van zo’n duizend elektronvolt. Grote versnellers zoals die van CERN in Genève jagen deeltjes op tot een paar honderd miljard elektronvolt. Maar kosmische straling van een supernova haalt met gemak energieën die nog eens duizend keer zo hoog liggen.

De UHECRs waarvan nu de herkomst is achterhaald, zijn de absolute recordhouders. Zo is op 15 oktober 1991 door een kosmische-stralingsdetector in Utah een deeltje geregistreerd met een energie van 320 triljoen elektronvolt. Dat is vergelijkbaar met de bewegingsenergie van een keihard geserveerde squashbal, en honderdmiljoen keer zo veel als wat aardse deeltjesversnellers presteren. Geen wonder dat het deeltje het ‘Oh-my-God-particle’ werd genoemd.

Het Pierre Auger-observatorium is speciaal gebouwd om het mysterie van deze kosmische squashballen op te lossen. Niet vanuit een ballon hoog in de dampkring, maar gewoon vanaf de grond. De Franse natuurkundige Pierre Victor Auger (1899-1993) ontdekte in 1938 dat je kosmische straling vanaf het aardoppervlak kunt bestuderen, ook al worden de energierijke deeltjes hoog in de dampkring ‘geabsorbeerd’. Als zo’n microscopisch projectiel op een stikstof- of zuurstofatoom knalt, ontstaat er namelijk een gigantische ‘waterval’ van secundaire deeltjes, waarvan de meeste wél het aardoppervlak bereiken.

Een UHECR (extreem snel voortrazend deeltje uit de kosmische straling) raakt de atmosfeer boven de Pierre Auger-detectoren in Argentinie. Door de botsing ontstaat een ‘air shower’; het originele deeltje valt uiteen in allerlei andere deeltjes. Hier staan rode deeltjessporen voor muonen (zware variant van elektronen), gele lichtdeeltjes, paarse elektronen en hun anti-deeltjes, positronen. (bron: Cosmus-project, Universiteit van Chicago / Randy Landsberg, Dinoj Surendran en Mark SubbaRao)

Nobelprijswinnaar James Cronin van de Universiteit van Chicago kwam in 1996 met het idee voor het huidige observatorium. In maart 1999 begon de bouw, en vijf jaar later werden de eerste wetenschappelijke metingen verricht. Inmiddels is ‘Pierre Auger’ een internationaal samenwerkingsverband van een kleine vierhonderd wetenschappers op negentig instituten in zeventien landen, en prijkt het observatorium op Argentijnse postzegels. ‘Nederland is sinds 2005 volledig lid,’ zegt Van den Berg van het KVI, die de landelijke vertegenwoordiger is van de collaboratie.

Zestienhonderd jacuzzi’s

Pierre Auger lijkt in de verste verte niet op een gewone sterrenwacht. De ‘detector’ bestaat uit achttien miljoen liter extreem zuiver water, verdeeld over zestienhonderd lichtdichte tanks met de afmetingen van een forse jacuzzi. Die zijn verdeeld over een gebied van drieduizend vierkante kilometer – zo groot als de provincie Zuid-Holland. ‘Ze staan ongeveer anderhalve kilometer uit elkaar,’ zegt Van den Berg. ‘Het terrein is redelijk vlak, dus als je bij zo’n tank staat, kun je de naaste buren meestal wel zien.’

Elektrisch geladen deeltjes die met bijna de lichtsnelheid door zo’n watertank bewegen, produceren een zwak lichtflitsje (zogeheten Cerenkov-straling), dat opgevangen wordt door gevoelige fotomultiplicatorbuizen. Aangezien een uitwaaierende stortbui van secundaire deeltjes (een air shower) op de grond al snel een oppervlak van een slordige veertig vierkante kilometer beslaat, wordt hij door een groot aantal tanks tegelijk waargenomen. Of liever gezegd: bíjna tegelijk – uit de minieme tijdsverschillen kun je de herkomstrichting van de deeltjesbui afleiden.

Daarnaast telt het observatorium vierentwintig lichtgevoelige groothoek-‘telescopen’. Die telescopen, met gesegmenteerde spiegels van bijna drieënhalve meter in middellijn, zijn gegroepeerd in vier waarnemingsstations langs de rand van het Pierre Auger-terrein. Elk station bestaat dus uit zes van die grote spiegels, die allemaal een andere kant op kijken. Op die manier wordt de hemel boven de pampa nauwlettend in het oog gehouden.

Deze zogeheten fluorescentietelescopen vangen uiterst zwakke ultraviolette flitsen op die ontstaan wanneer een hoogenergetisch deeltje de dampkring binnendringt. Stikstofmoleculen raken door zo’n passerend deeltje namelijk geïoniseerd, en zenden vervolgens fluorescentiestraling uit. Hoe energierijker het deeltje, hoe helderder de flits. Als de fluorescentiestraling door verschillende stations wordt vastgelegd, kun je de baan van het deeltje door de dampkring reconstrueren. Combineer je die informatie vervolgens met de air shower-detecties van de watertanks, dan is een schat aan informatie af te leiden over het oorspronkelijke ‘projectiel’.

Een van de 1600 watertanks van het Pierre Auger-observatorium, met de Andes op de achtergrond.

Nederlandse hardware

Zestienhonderd watertanks, vierentwintig grote telescopen, extreem gevoelige detectoren – het is nog een wonder dat de bouw van Pierre Auger ‘slechts’ 54 miljoen dollar heeft gekost. Alles is dan ook zo simpel en goedkoop mogelijk gehouden. Zo is het uitgestrekte terrein bijvoorbeeld niet bekabeld: de watertanks hebben zonnepanelen voor de stroomvoorziening, een eenvoudige GPS-ontvanger voor een nauwkeurige tijdregistratie, en een soort mobiele telefoon voor de communicatie met het centrale gegevensverwerkingsstation in het nabijgelegen stadje Malargüe.

In de buurt van Malargüe staat ook nog een lidar-telescoop (light detection and ranging) waarmee het verticale druk- en temperatuurverloop in de dampkring in kaart wordt gebracht. En in het centrum van het gebied staat een laserinstallatie voor het nauwkeurig ijken van de fluorescentietelescopen. Pierre Auger bevat trouwens ook Nederlandse hardware: voor ongeveer de helft van de surface detectors bouwde het Groningse bedrijf Variass Electronics bv in Veendam elektronicamodules waarmee het stroomverbruik wordt gemonitord.

De bouw van het uitgestrekte observatorium is op een haar na gevild, zegt Van den Berg. ‘Vorige week werd de vijftienhonderdste tank geplaatst. Nog honderd te gaan dus; het schiet op.’ De laatste maanden ging het helaas wat trager doordat het veel gesneeuwd heeft, en het smeltwater niet goed afwatert. Soms moesten er bruggen gebouwd worden voor de cross country-trucks waarmee de watertanks getransporteerd worden.

Sinds de start van de waarnemingen, bijna vier jaar geleden, heeft Pierre Auger al ongeveer één miljoen stortbuien van secundaire deeltjes geregistreerd. De meeste daarvan hadden een vrij lage energie, maar zevenentwintig air showers werden veroorzaakt door kosmische-stralingsdeeltjes met een energie van meer dan 57 triljoen elektronvolt. En voor het eerst is van deze ultra-energierijke deeltjes de herkomstrichting bepaald. Eindelijk weten sterrenkundigen waar de kosmische squashballen vandaan komen.

Extreem nauwkeurig lukt dat overigens niet. De elektrisch geladen deeltjes worden namelijk afgebogen door het magnetisch veld van ons Melkwegstelsel. Voor laagenergetische deeltjes is die afbuiging zelfs zo sterk dat de herkomst niet te achterhalen is. Gelukkig hebben de energierijkste deeltjes er vrijwel geen last van – als je weet vanuit welke richting ze de dampkring binnendringen, kun je vrij nauwkeurig achterhalen waar ze vandaan komen.

Het ingewikkelde magneetveld van onze Melkweg. Groene pijlen stellen metingen voor, de linten zijn berekend met supercomputers. Dit magneetveld buigt geladen deeltjes uit de kosmische straling af, zodat ze maar moeilijk te herleiden zijn naar hun oorsprong.

Superzwaar zwart gat

In hun publicatie in Science (er zijn nog een aantal grotere publicaties in sterrenkundige vakbladen in voorbereiding) laten de Pierre Auger-wetenschappers zien dat de zevenentwintig ultra high energy cosmic rays niet uit willekeurige richtingen op de aarde afkomen. In plaats daarvan vertonen ze dezelfde verdeling aan de hemel als nabijgelegen actieve sterrenstelsels – stelsels met een superzwaar zwart gat in hun centrum.

‘De relatie met het actieve stelsel Centaurus A is wel heel overtuigend,’ zegt Heino Falcke van de Radboud Universiteit. Centaurus A is een van de meest nabije actieve sterrenstelsels. Overigens was al bekend dat deeltjes met energieën van tegen de zestig triljoen elektronvolt nooit van grotere afstanden kunnen komen dan een paar honderd miljoen lichtjaar, omdat ze anders energie verliezen door wisselwerking met fotonen uit de kosmische achtergrondstraling.

Falcke denkt dat de monsterdeeltjes (die snelheden hebben van 99, 9999999999 procent van de lichtsnelheid) versneld worden in de krachtige straalstromen van actieve stelsels. Dat kan aan de uiteinden van die jets gebeuren, maar ook in het centrum van het stelsel, vlak bij het centrale superzware zwarte gat. Maar hoe dat precies gebeurt is niet bekend, en zelfs de vorming van de jets is nog steeds een onopgelost raadsel. ‘Er valt nog heel wat meer onderzoek te verrichten,’ aldus Falcke.

In centrum van sterrenstelsel NGC 4261 huist een superzwaar zwart gat, miljoenen keren zo zwaar als onze zon. Het zwarte gat slurpt materiaal uit zijn omgeving op en lanceert een deel daarvan in twee straalstromen langs zijn draaias. Superzware zwarte gaten kunnen ontzaglijk veel energie opwekken en zien misschien de bron van UHECRs – extreem energieke deeltjes uit de kosmische straling. (bron: NASA / STScI.)

Onder leiding van Van den Berg wordt in Argentinië gebouwd aan een netwerk van kleine, simpele radio-ontvangers (vergelijkbaar met de radio-antennes van de LOFAR-telescoop in Drenthe) waarmee de herkomstrichtingen van de kosmische-stralinsgsdeeltjes nog veel nauwkeuriger bepaald kunnen worden. Dat gebeurt door synchrotronstraling waar te nemen van secundaire elektronen die door het magnetisch veld van de aarde bewegen.

‘De fluorescentietelescopen werken alleen tijdens onbewolkte, maanloze nachten,’ zegt Falcke. ‘In de praktijk betekent dat slechts tien procent van de tijd. De radiowaarnemingen kunnen echter vierentwintig uur per etmaal worden uitgevoerd, ongeacht de weersomstandigheden.’ Vier radio-antennes zijn inmiddels in bedrijf; in 2010 moeten dat er honderd zijn, verspreid over een gebied van twintig vierkante kilometer. Daarmee is een bedrag van 1,2 miljoen euro gemoeid, dat Nederland, Frankrijk en Duitsland bijeen moeten gaan brengen.

Astrodeeltjesfysica wil meer geld Onderzoek aan elementaire deeltjes – de fundamentele bouwstenen van de natuur – gebeurt in versnellerlaboratoria zoals het Europese CERN in Genève. Maar de grootste en krachtigste deeltjesversnellers bevinden zich in de kosmos: supernova-explosies, gammaflitsen, actieve sterrenstelsels en de oerknal zelf. Door die astrofysische verschijnselen te bestuderen – voornamelijk met apparatuur die binnen de deeltjesfysica is ontwikkeld – kan de natuur in haar meest extreme vorm worden onderzocht.

Op initiatief van Gerard van der Steenhoven van het NIKHEF (Nederlands Instituut voor Kern- en Hoge-Energie Fysica) proberen Nederlandse astronomen, kernfysici en hoge-energiefysici subsidieverstrekker NWO ervan te overtuigen dat er op het snijvlak van natuur- en sterrenkunde sprake is van een geheel nieuw vakgebied: de astrodeeltjesfysica.

‘Nederland moet op het gebied van de astrodeeltjesfysica niet de boot missen,’ zegt Ad van den Berg van het Kernfysisch Versneller Instituut in Groningen. Sommige projecten waar Nederland een belang in heeft, zoals de Antares-neutrinodetector in de Middellandse Zee, ontvangen wel overheidssubsidie binnen de bestaande NWO-wetenschapsgebieden, maar Van der Steenhoven, Van den Berg en hun collega’s hopen dat de astrodeeltjesfysica ‘naar een nationaal niveau kan worden getild.’ ___________________________________________________________________

Terwijl het Argentijnse Pierre Auger-observatorium nog niet eens helemaal af is, liggen de plannen al klaar voor een noordelijke tegenhanger. Die komt in Colorado, en gaat misschien wel tienduizend vierkante kilometer beslaan. Hopelijk gaat Nederland daar opnieuw een rol in spelen, zegt Van den Berg. ‘Er wordt overal hard gelobbyd voor Pierre Auger North. Een definitief besluit moet in de loop van 2008 vallen.’

Lokaties van de noordelijke en zuidelijke Pierre Auger-observatoria. (bron: Auger.org)

Pierre Auger en kosmische straling

Kosmische straling

Zwarte gaten in melkwegkernen

Dit artikel is een publicatie van Allesoversterrenkunde.nl.
© Allesoversterrenkunde.nl, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 22 november 2007

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.