De wolk van positronen

De Europese gammasatelliet Integral heeft waarschijnlijk het raadsel van de positronenwolk in de Melkweg opgelost.

George Beekman

Opname van een deel van de Melkweg, gemaakt aan de heldere hemel boven Chili. Stofwolken tussen de sterren verhullen het centrum van de melkweg achter de verdikking in het midden. foto Nasa

Rond het centrum van het melkwegstelsel bevindt zich een reusachtige wolk van positronen, de antideeltjes van elektronen. Al meer dan dertig jaar lang proberen astronomen een antwoord te vinden op de vraag waar deze antimaterie in de ruimte tussen de sterren vandaan komt.

De wolk van positronen verraadt zich door het uitzenden van ‘zachte’ , ofwel relatief langgolvige gammastraling. Die bestaat uit fotonen, ‘energiepakketjes’, met een energie rond de 511 kilo-elektronvolt (511 keV). Dat is precies de energie die samenhangt met de annihilatie, de wederzijdse vernietiging, van elektronen en positronen. Als deze twee tegenhangers elkaar ontmoeten, verdwijnen beide in een flits van gammastraling.

Hoewel al sinds lang bekend is dat zich in de interstellaire ruimte overal elektronen bevinden en er ook positronen ontstaan, was het een raadsel waar deze laatste vandaan kwamen en waarom zij zich juist in het melkwegcentrum concentreren. De Europese gammasatelliet Integral, die sinds oktober 2002 om de aarde draait, lijkt nu het antwoord gevonden te hebben. Lichte dubbelsterren waarvan de ene component een neutronenster of een zwart gat is, zouden de wolk van antideeltjes in stand houden.

detectoren

De ontdekking van de 511 keV gammastraling, in 511 keV gammastraling, in 1970 door Amerikaanse onderzoekers, was een van de eerste en belangrijkste ontdekkingen van de ‘gammasterrenkunde’. Die kwam in de jaren zeventig tot ontwikkeling toen astronomen het heelal gingen waarnemen met instrumenten die in eerste instantie waren afgeleid van de detectoren die toen in de hogeenergiefysica werden gebruikt. Gammastraling uit het heelal wordt echter (evenals röntgenstraling) volledig door de atmosfeer geabsorbeerd en daarom was en is men voor het waarnemen ervan aangewezen op ballonnen, raketten en kunstmanen.

Een detector onder een stratosfeerballon registreerde voor het eerst de 511 keV-lijn. In de jaren daarna werd de straling vooral door satellieten steeds beter bestudeerd. Daaruit bleek dat de meeste straling – vanuit onze positie in het melkwegstelsel gezien – uit een afgeplat maar symmetrisch gebied met een diameter van 6 tot 10 graden rond het melkwegcentrum komt. De intensiteit van de straling is echter uiterst gering: één vierkante centimeter detectormateriaal registreert iedere twintig minuten slechts één gammafoton. Het vergt dus heel veel tijd en geduld om de positronenwolk te kunnen bestuderen.

Een ander probleem is dat de gammastraling volkomen diffuus is. Er zijn geen afzonderlijke puntbronnen in gevonden die op de herkomst van de positronen zouden kunnen wijzen. Vele mogelijkheden bleven daardoor open. De positronen zouden kunnen ontstaan door de interactie van de kosmische straling met het ijle gas tussen de sterren, door het verval van atoomkernen tijdens supernova-explosies, door uitbarstingen op witte dwergen of zeer hete sterren, of door processen in de buurt van compacte, exotische objecten als neutronensterren en zwarte gaten.

In de afgelopen jaren hebben sommige astronomen een beroep gedaan op nog exotischer processen, zoals het verval van de deeltjes van de zogeheten ‘donkere materie’: materie die we niet kunnen zien maar die zich via zijn aantrekkingskracht verraadt. De verwachte verdeling van de (hypothetische) donkere materie rond het melkwegcentrum blijkt namelijk goed overeen te komen met de verdeling van de positronen die de annihilatiestraling veroorzaken. Het probleem is echter dat donkere materie-deeltjes dan veel zwaarder zouden moeten zijn dan de meeste theorieën suggereren.

asymmetrie

Metingen van de Europese gammasatelliet Integral hebben het raadsel nu misschien opgelost. Uit de meest recente analyse van deze metingen, verricht door de Duitse astronoom George Weidenspointner en zijn collega’s, blijkt dat de positronenwolk toch niet symmetrisch is. Aan de westzijde van het melkwegcentrum strekt hij zich tweemaal zo ver uit als aan de oostzijde. Deze asymmetrie lijkt bovendien erg veel op die van een vrijwel gelijktijdig door Integral ontdekte, maar nog niet verklaarde asymmetrie in de verdeling van lichte röntgendubbelsterren rond het melkwegcentrum. Dit zou kunnen betekenen dat deze sterren de positronenwolk – en dus ook de gammastraling – in stand houden (Nature, 10 januari).

Lichte röntgendubbelsterren bestaan uit een gewone ster en een neutronenster of zwart gat. Het gravitatieveld van deze begeleider is zo sterk dat hij gas van de gewone ster aantrekt en die als het ware leegzuigt. Terwijl het gas naar het compacte object toe spiraliseert, wordt het zo sterk verhit dat het ‘harde’ (heel kortgolvige) röntgenstraling uitzendt. Tevens kunnen spontaan positronen ontstaan, die naar de ruimte ontsnappen en daar vele tienduizenden jaren rondzwerven alvorens een elektron te ontmoeten en daarmee te annihileren.

Weidenspointner en zijn collega’s hebben berekend dat elke röntgendubbelster per seconde meer dan 1041 positronen kan produceren. Daarmee zou dit type dubbelster het grootste deel van de waargenomen gammastraling uit de wolk van antideeltjes rond het melkwegcentrum kunnen verklaren. De eventuele rest zou afkomstig kunnen zijn van soortgelijke processen rond het superzware zwarte gat in het melkwegcentrum en/of de supernova-explosies die af en toe in dit gebied plaatsvinden. De noodzaak van meer exotische processen, zoals die waarbij donkere materie een rol speelt, zou zo kleiner worden of misschien geheel kunnen verdwijnen.

    • George Beekman