Nieuws Spookdeeltje op de Zuidpool

Eindelijk is duidelijk wie ons vanuit de ruimte onder vuur neemt

De aarde ligt permanent onder vuur van supersnelle deeltjes uit de kosmos, maar waar die vandaan komen was een eeuwlang een raadsel. Een ver en furieus melkwegstelsel blijkt nu een bron.

Foto Hollandse Hoogte / Eyevine

Het was geen signaaltje, in de vroege vooravond van 22 september 2017 in de Icecube neutrinodetector kilometers diep in het ijs op de Zuidpool. Het was een signáál, veroorzaakt door de inslag van een spookdeeltje uit de kosmos met onvoorstelbare energie. ‘Een prachtig langgerekt en helder spoor, de honderden sensoren in de kubieke kilometer poolijs lichtten op als een kerstboom’, zegt de Brusselse neutrinofysicus Nick van Eijndhoven van het door Amerikanen geleide Icecube.

Het puntgave deeltjesspoor in de detector wees terug naar een plek aan de hemel, ongeveer ter grootte van de volle maan. Daar ergens, bleek bij een snelle analyse, moest een meedogenloze kosmische sluipschutter zitten. De jacht kon beginnen en zou leiden tot misschien wel de grootste ontdekking sinds de vondst van Einsteins zwaartekrachtgolven, twee jaar geleden.

Spookdeeltje

Van Eijndhoven is een van de auteurs van een spectaculair artikel in Science, dat donderdag is verschenen, over de ontdekking van de oorsprong van dat ene, supersnelle spookdeeltje. Op de middag van publicatie belegden de ontdekkers gelijktijdige persconferenties in Virginia en Brussel waarvoor tientallen persberichten waren uitgegaan. Want de bron is gevonden: een kolkend zwart gat in het verre melkwegstelsel TXS 0506+056, door experts doorgaans liefkozend ‘Texas’ genoemd.

Het is een ontdekking die ook een raadsel oplost dat astronomen sinds 1910 bezighoudt: wat de kosmische straling veroorzaakt die voortdurend op de aarde neerregent. Het antwoord is hoogstwaarschijnlijk een kolkend zwart gat in een ver melkwegstelsel, dat neutrino’s wegschiet en ook geladen deeltjes als protonen. Als die protonen na vele omzwervingen de aardatmosfeer raken, slaan ze moleculen stuk en veroorzaken ze de sproeiers van geladen deeltjes in de atmosfeer die sinds 1912 kosmische straling heten. Maar de neutrino’s trekken zich nergens iets van aan, die vliegen in een rechte lijn van de bron naar de waarnemer, in dit geval op Antarctica.

Al enkele minuten na de inslag ging die 22ste september een alarm-mail uit naar aangesloten astronomen over de hele wereld om hun telescopen of röntgensatellieten te richten op dat specifieke gebiedje aan de zuidelijke sterrenheme. Nog wat later hadden de Fermi-ruimtetelescoop en een röntgenkijker in Zuid-Afrika beet.

In het gebiedje bleek de röntgenstraling van een bepaald sterrenstelsel flink opgeflakkerd. TXS 0506+056 is een zogeheten ‘blazar’ op pakweg 5,7 miljard lichtjaar afstand, ver buiten onze eigen Melkweg en onvindbaar met het blote oog. Astronomen stellen zich zo’n object voor als een enorm roterend zwart gat middenin een melkwegstelsel als het onze, dat materie naar binnen sleurt. Dat proces produceert enorm veel röntgenstraling en schiet tegelijkertijd ook een straal van restanten van de gemangelde atomen het universum in. Behalve protonen zijn dat ook neutrino’s.

Tennisbal

Zo’n straal of jet werkt als een deeltjesversneller. Op aarde is de grootste deeltjesversneller 27 kilometer lang. In de deeltjesstraal van de blazar worden deeltjes als protonen echter over afstanden van honderden lichtjaren steeds verder versneld, tot energieën die in de buurt komen van die een hard weggeslagen tennisbal. ‘Als zoiets naast je inslaat, zou je de plof kunnen horen’, zegt Van Eijndhoven.

Dat zulke inslagen er zijn, staat al jaren vast en gevaarlijk lijkt allemaal niet. Maar wel intrigerend. Alleen kunnen de detectoren waarmee ze worden opgepikt, niet precies genoeg aanwijzen uit welke richting het oorspronkelijke signaal komt, laat staan van welk object. Het probleem is dat geladen deeltjes als protonen onderweg door galactische magneetvelden van baan veranderen. Alleen neutrino’s komen recht uit de bron. 

Het Icecube-restultaat is een geweldige prestatie, zegt emeritus hoogleraar sterrenkunde Ed van den Heuvel van de Universiteit van Amsterdam. ‘Tot nog toe hadden we vage aanwijzingen over de objecten die zoiets uitzenden. Maar dit is echt heel sterk.’

Nieuw venster

Daarnaast, voegt zijn collega Rudy Wijnands nog toe, laat de waarneming zien dat neutrino’s een nieuw venster voor de astronomie beginnen te bieden. ‘Na licht en röntgen hadden we al zwaartekrachtgolven. En nu dus ook nog neutrino’s.’ Het is wat te vergelijken met het horen van voetstappen ergens in een donker bos en dan de opgloeiende sigaret die aangeeft waar de wandelaar precies is.

Waarom precies het verre melkwegstelsel opflakkert en heftige neutrino’s uitspuugt, weten het team van Icecube en de betrokken astronomen niet. Maar dat het ingeslagen deeltje van TXS 0506+056 afkomstig is, staat buiten kijf. ‘De kans dat het toch van iets anders kwam is statistisch minimaal’, zegt de Nederlander Van Eijndhoven, al jaren verbonden aan de Vrije Universiteit Brussel. Hij deed eind vorig jaar al de statistische analyses. ‘Het lastigste was om tot de publicatie al die tijd je mond te moeten houden.'

Astrofysicus Sera Markoff, hoogleraar aan de UvA, is enthousiast over de Icecube-vondst, al vindt ze dat enige voorzichtigheid wel geboden is. ‘Met één waarneming is de statistiek natuurlijk niet keihard.’

Bron

Sterrenkundige Van den Heuvel gaat het overigens te ver om te claimen dat nu eindelijk, na een eeuw zoeken, de bron van de kosmische straling is gevonden. ‘Er zijn talloze theorieen en ook aanwijzingen dat bijvoorbeeld supernova’s in onze Melkweg deeltjes met zulke energie produceren. Ik zou zeggen dat Icecube hier vooral heel overtuigend laat zien dat zulke blazars óók een rol hebben.’

Donderdag publiceert het gedeeltelijk Nederlandse neutrinoproject Antares diep in de Middellandse zee waarnemingen van spookdeeltjes uit het gebied aan de hemel waar TXS 0506+056 staat. ‘We hebben geen keihard signaal’, zegt projectleider Paul de Jong. ‘Maar er lijkt wel wat aan de hand te zijn daar.’ Antares maakt momenteel plannen voor een nog veel grotere onderzeese detector, KM3Net, die minstens zo precies zou moeten worden als Icecube nu is.

Lees ook de reportage uit 2013 van Govert Schilling vanuit het IceCube laboratorium op de Zuidpool. 

Neutrino’s

Wie de zon op zijn hand laat schijnen voelt de warmte, maar voelt niet dat er tegelijk zo’n 500 miljard neutrino’s per seconde doorheen vliegen. De spookdeeltjes ontstaan bij de kernprocessen in bijvoorbeeld de zon, en trekken zich daarna zelden meer iets aan van andere materie. Neutrino’s lijken wel wat op elektronen, maar zijn ongeladen en hebben geen of nauwelijks een massa. Om er nu en dan één te vangen zijn kubieke kilometers poolijs of zeewater nodig, volgehangen met lichtmeters die nu en dan een flitsje registreren.

Raadsel sinds 1910            

De term ‘kosmische straling’ valt in de wetenschap pas in 1925, maar het raadsel gaat al terug naar 1910. In het Jezuietenklooster in Valkenburg meet natuurkundeleraar en priester Theodor Wulf dat gewone lucht vol geladen deeltjes zit. Radioactieve gesteenten lijken de oorzaak. Maar dan doet Wulf ook metingen op de top van de Eiffeltoren in Parijs en ontdekt hij dat er op 300 meter hoogte méér straling is dan beneden. Dat kan geen aardse radioactiviteit meer zijn. De Oostenrijkse natuurkundige Victor Hess wordt gegrepen door het mysterie en meet tussen 1911 en 1913 vanuit heteluchtballonnen hoe nog hogerop de straling alleen maar verder toeneemt. Hoe dat kan, blijft een raadsel.

Victor Hess stijgt in 1911 op met ene heteluchtballon voor metingen van de kosmische straling op grote hoogte. Foto NYT

In de jaren ’20 wordt ontdekt dat de straling wordt veroorzaakt  door elektrisch geladen deeltjes uit het heelal, vooral supersnelle protonen. Die slaan in de atmosfeer moleculen uit elkaar tot geladen brokstukken, die in sproeiers neerregenen naar het aardoppervlak. De energie van het proces is enorm, soms miljoenen keren meer dan de LHC-superversneller in Genève protonen kan opjagen. Tot de vondst van TXS 0506+056 door Icecube waren de bronnen van dat kosmische geweld nooit rechtstreeks gezien.

Foto Martin Wolf, IceCube/NSF
Meer over

Wilt u belangrijke informatie delen met de Volkskrant?

Tip hier onze journalisten


Op alle verhalen van de Volkskrant rust uiteraard copyright. Linken kan altijd, eventueel met de intro van het stuk erboven.
Wil je tekst overnemen of een video(fragment), foto of illustratie gebruiken, mail dan naar copyright@volkskrant.nl.