Wil je kosmische krachtpatsers vangen? Gebruik een Tibetaanse berg!

Op een onherbergzame hoogvlakte in het westen van China, aan de rand van de Gobi-woestijn, is een bizar observatorium in aanbouw. Verspreid over een reusachtig groot gebied moeten hier over een paar jaar tienduizend sprieterige radioantennes staan van een meter of vijf hoog. Er zijn er inmiddels dertien geplaatst; projectmanager Charles Timmermans van de Radboud Universiteit in Nijmegen verwacht komend voorjaar de eerste meetresultaten.

Over tien à vijftien jaar hopen Timmermans en zijn internationale collega’s (vooral uit China en Frankrijk) het mysterie van kosmische ‘tennisbaldeeltjes’ opgelost te hebben. Hun detector? Het Tibetaanse hooggebergte.

Er regenen voortdurend elektrisch geladen deeltjes uit het heelal neer op aarde. Die zogeheten kosmische straling is onder andere afkomstig van de zon en van exploderende sterren in het Melkwegstelsel. Maar af en toe zitten er extreme exemplaren tussen, met evenveel energie als een stevig geserveerde tennisbal, maar dan samengepakt in één subatomair deeltje. Die zogeheten ultra-hoogenergetische kosmische straling is in 1962 voor het eerst waargenomen. De ‘tennisbaldeeltjes’ zijn afkomstig van buiten ons Melkwegstelsel, maar niemand weet waar ze precies ontstaan en bij welke energierijke verschijnselen.

Als zo’n kosmische krachtpatser in de aardse dampkring op een atoomkern botst, veroorzaakt hij een complete stortbui aan secundaire deeltjes. Met gevoelige instrumenten op de grond kun je zo’n deeltjesregen detecteren. Maar dat geeft je nog onvoldoende informatie over de precieze herkomst van het oorspronkelijke ‘projectiel’. Het kosmische-stralingsdeeltje heeft namelijk een enigszins zwalkende route door het heelal afgelegd: omdat het een elektrische lading heeft, is zijn baan afgebogen door kosmische magneetvelden.

Neutrino's

De radioantennes in China maken daarom geen jacht op de ultra-hoogenergetische kosmische straling zélf, maar op de bijbehorende neutrino’s, die naar verwachting al even zeldzaam zijn. Hoe de elektrisch geladen ‘tennisbaldeeltjes’ ook ontstaan, het kan eigenlijk niet anders of ze worden vergezeld door zulke hoogenergetische neutrino’s. Neutrino’s zijn elektrisch neutraal (daarom heten ze ook zo) en worden daarom niet afgebogen door magneetvelden. Als je ziet uit welke richting ze komen, kun je dus tamelijk nauwkeurig hun oorsprong achterhalen en dan weet je meteen ook waar de kosmische-stralingsdeeltjes vandaan komen. ‘Neutrino’s met zo’n hoge energie zijn nog nooit eerder waargenomen’, zegt Timmermans, ‘maar we zijn ervan overtuigd dat ze bestaan.’

Bestaande neutrinodetectoren, zoals IceCube op Antarctica en KM3NET in de Middellandse Zee, kunnen deze zeer energierijke neutrino’s niet ‘vangen’. Het nieuwe observatorium in China kan dat wel: het speurt naar de radiostraling die indirect geproduceerd wordt wanneer zo’n spookdeeltje heel af en toe tóch in botsing komt met een atoomkern. Vandaar de naam GRAND: Giant Radio Array for Neutrino Detection. En omdat ‘gewone’ kosmische-stralingsdeeltjes en energierijke gammafotonen uit het heelal ook zulke radiopulsjes produceren wanneer ze de dampkring van de aarde binnendringen, letten de neutrinojagers vooral op signalen die afkomstig zijn uit de bergen aan de horizon.

Dat werkt via een aantal tussenstappen. Als de bron van het energierijke neutrino toevallig heel laag aan de hemel staat, gaat hij schuil achter de Tibetaanse bergtoppen. Het neutrino vliegt dan ‘van achteren’ de bergketen in. Vanwege de hoge energie botst het naar verwachting binnen een paar kilometer op een atoomkern in het gesteente. Bij die botsing ontstaan secundaire deeltjes, die aan de ‘voorzijde’ het gebergte weer uitvliegen, vol in het zicht van de radioantennes van GRAND. Die secundaire deeltjes vervallen weer tot (onder andere) elektronen en anti-elektronen, en wanneer die het magnetisch veld van de aarde ‘voelen’, zenden ze een klein beetje radiostraling uit.

Het klinkt ingewikkeld en dat is het ook. Maar waar het om gaat: als GRAND een radiosignaal oppikt dat afkomstig lijkt te zijn uit de bergen aan de horizon, kan het niet anders of dat moet indirect veroorzaakt zijn door zo’n extreem energetisch neutrino. Daarvan is dan meteen bekend uit welk deel van het heelal het afkomstig is, en zo kom je ook de mysterieuze bronnen van die zeldzame ‘tennisbaldeeltjes’ in de kosmische straling op het spoor. Althans, dat is de hoop.

Nieuwe sterren

Om toch een zo groot mogelijk deel van de sterrenhemel in het oog te houden, wil je het liefst op veel meer plaatsen op aarde zo’n radio-observatorium bouwen. Timmermans en zijn collega’s dromen er dan ook van om GRAND uit te breiden met vergelijkbare antennevelden nabij het Andesgebergte, de Oeral en de Rocky Mountains. Uiteindelijk zouden er tweehonderdduizend antennes geplaatst kunnen worden, verspreid over een gezamenlijk oppervlak vijf keer zo groot als Nederland. Omdat het om vrij eenvoudige apparatuur gaat, moet dat te realiseren zijn voor hooguit 200 miljoen euro, te financieren door China en Europa.

Overigens is GRAND niet het enige project dat het raadsel van de ultra-hoogenergetische kosmische straling zou kunnen oplossen. Volgend jaar wordt de laatste hand gelegd aan een ingrijpende upgrade van het Pierre Auger Observatorium in Argentinië, waar sterrenkundigen de deeltjesregens van binnenkomende kosmische straling bestuderen. Eerder vond dit observatorium al aanwijzingen dat de ‘tennisbaldeeltjes’ afkomstig zijn uit sterrenstelsels waarin enorme geboortegolven van nieuwe sterren plaatsvinden. ‘De statistiek is nog niet overtuigend genoeg om een ontdekking te claimen,’ zegt woordvoerder Antonella Castellina van het Italiaanse INFN-instituut, ‘dus we hebben meer meetgegevens nodig voor een hogere betrouwbaarheid.’

Ondertussen werkt Angela Olinto van de Universiteit van Chicago aan het ontwerp van een ruimtetelescoop, Poemma geheten, die vanuit een baan om de aarde hoogenergetische kosmische straling kan detecteren. Poemma moet de zwakke lichtflitsen in de dampkring registreren die ontstaan wanneer er zo’n krachtpatserdeeltje binnendringt. ‘Poemma kan grote delen van het nachtelijk halfrond van de aarde in de gaten houden,’ zegt Olinto, ‘en uiteindelijk kunnen we op die manier de herkomst van de meest energierijke kosmische straling in kaart brengen.’ Als Nasa groen licht geeft voor de ruimtetelescoop, zou hij rond 2030 gelanceerd kunnen worden.

Of het antwoord van GRAND, van het Pierre Auger Observatorium of van Poemma gaat komen, is nog geen uitgemaakte zaak. Maar het kan niet heel lang meer duren voordat duidelijk is welke enorm energierijke processen verantwoordelijk zijn voor de extreme deeltjes. Linksom of rechtsom verwachten sterrenkundigen dat het raadsel van de ultra-hoogenergetische kosmische straling uiterlijk halverwege de jaren dertig uit de wereld geholpen zal zijn.