Ver sterrenstelsel vuurt snelle neutrino’s richting aarde

Astronomie

Voor het eerst hebben astronomen precies kunnen achterhalen waar een snelle neutrino uit de ruimte vandaan kwam.

Het IceCube-laboratorium bij de Amundsen-Scott-basis op de Zuidpool . Detectoren, kilometers diep onder het ijs, zoeken naar neutrino’s uit de ruimte. Foto Erik Beiser, Ice Cube/NSF

De aarde wordt regelmatig bestookt met snelle deeltjes – zogeheten neutrino’s – van een ver sterrenstelsel. Dat concludeert een internationaal team van honderden wetenschappers vrijdag in Science. Eén enkel neutrino bracht hen op het spoor. De ontdekking bevestigt dat de meest energierijke kosmische straling van buiten de Melkweg komt.

„Voor het eerst is er een hoogenergetische neutrino waargenomen waarvan je kunt zeggen waar het vandaan komt”, zegt Heino Falcke, hoogleraar astrodeeltjesfysica aan de Radboud Universiteit. Hij was niet betrokken bij het onderzoek: „Dit is een van de belangrijkste ontdekkingen van 2018.”

„De neutrino-astronomie is een feit geworden”, zegt professor Nick van Eijndhoven, IceCube-programmaleider voor de Vrije Universiteit Brussel. Zijn team was nauw betrokken bij het opzetten van het alarmsysteem, dat al 45 seconden na de detectie diverse observatoria en satellieten heeft gealarmeerd.

Neutrino’s zijn subatomaire deeltjes die zich bijna niets aantrekken van materie zoals wij die kennen. Ze zijn verwant aan het elektron, maar hebben geen elektrische lading en vrijwel geen massa. Zonder dat we er erg in hebben, schieten er elke seconde ontelbare aantallen van deze deeltjes door ons heen. Schade richten ze niet aan: we zijn lucht voor ze.

Een gesimuleerde vlucht richting de IceCube detector in Antarctica door een neutrino. Credit DESY, Science Communication Lab

Bijna vier miljard jaar geleden vond een kolossale uitbarsting van energie plaats in het hart van een ver sterrenstelsel. Bij deze gebeurtenis kwamen, naast elektromagnetische straling van uiteenlopende golflengten, energierijke neutrino’s vrij die met ruwweg de snelheid van het licht wegschoten.

Op 22 september 2017 bereikte een zwerm van deze bijna ongrijpbare deeltjes de Zuidpool. Daarbij kwam één van hen in botsing met een watermolecuul, wat in een korte flits blauw en ultraviolet licht resulteerde.

De flits werd geregistreerd met ‘IceCube’, een neutrinodetector bestaande uit meer dan 5.000 lichtsensoren die op diepten van 1.450 tot 2.450 meter in het Antarctische ijs verzonken zijn. IceCube detecteert ongeveer 200 neutrino’s per dag, maar de meeste daarvan komen niet van ver. Ze ontstaan bij botsingen tussen kosmische straling – geladen deeltjes uit de ruimte – en atomen en moleculen in de aardatmosfeer.

Zo af en toe zit er echter een neutrino tussen dat duidelijk meer energie heeft dan de rest. Deze ‘hoogenergetische’ neutrino’s moeten van veel verder weg komen. IceCube is speciaal voor de detectie van deze relatief schaarse deeltjes gebouwd. Sinds 2013 heeft dat 82 treffers opgeleverd – gemiddeld ongeveer één per maand.

Een sensor daalt af in de diepte tijdens de installatie van de IceCube-telescoop.

Foto B. Gudbjartsson, Ice Cube/NSF

Het neutrino dat in september vorig jaar werd gedetecteerd viel op door zijn enorm hoge energie, die in vaktermen ruwweg 300 tera-elektronvolt bedroeg. In absolute zin is dat heel weinig: nog geen miljoenste joule, terwijl er voor het zetten van een kopje thee wel 80.000 joule nodig is. Maar voor een neutrino is het uitzonderlijk.

Hoogenergetische neutrino’s kunnen alleen ontstaan bij extreme gebeurtenissen. Bij een botsing tussen twee neutronensterren bijvoorbeeld of bij een superzwaar zwart gat dat grote hoeveelheden materie opslokt. In beide gevallen ontstaan twee tegengesteld gerichte ‘jets’ – bundels van hoogenergetische elektromagnetische straling en subatomaire deeltjes.

Om te achterhalen wat de bron van het neutrino van september 2017 is geweest, moet bekend zijn uit welke richting het kwam. IceCube zelf kan daar al een indicatie van geven, maar niet voldoende om een specifiek object aan te wijzen. Vandaar dat bij zo’n bijzondere detectie automatisch tal van sterrenwachten en ruimtetelescopen worden ingeseind om naar opvallende verschijnselen in het betreffende hemelgebied te kijken.

Enkele uren later al meldden wetenschappers van de Amerikaans/Europese ruimtetelescoop Fermi dat de aangegeven locatie bijna precies samenviel met een bekende bron van gammastraling – de energierijkste vorm van elektromagnetische straling. Het betrof quasar TXS 0506+056, een reusachtig elliptisch sterrenstelsel met een superzwaar zwart gat in zijn kern dat bezig is om materie uit zijn omgeving op te slokken.

Een sensor uit de IceCube-installatie. Dit was de laatste sensor die geinstalleerd werd in 2010 en werd daarom voorzien van de handtekeningen van het wetenschappelijk personeel.

Foto Robert Schwarz, Ice Cube/NSF

Vervolgwaarnemingen met andere telescopen lieten zien dat TXS 0506+056 niet alleen een bron van energierijke neutrino’s en gammastraling was, maar ook van röntgenstraling, zichtbaar licht en radiostraling. Daarnaast bleek uit een analyse van IceCube-gegevens dat er eind 2014 of begin 2015 ook al een stuk of dertien minder energierijke neutrino’s uit dezelfde richting waren gekomen. Daarmee staat zo goed als vast dat TXS 0506+056 zo nu en dan neutrino’s onze kant op schiet.

Daarmee is dan gelijk de link gelegd met het vraagstuk van de ‘kosmische straling’ – de verzamelnaam voor de energierijke deeltjes die continu vanuit de ruimte op de aarde neerregenen. Over de precieze herkomst van deze deeltjes, die voor ongeveer 90 procent uit protonen bestaan, bestaat nog steeds veel onduidelijkheid. Dat komt doordat protonen geladen deeltjes zijn, die zich door magnetische velden laten afbuigen. Daardoor wijken ze tijdens hun reis door de ruimte voortdurend van hun lijn af, wat het onmogelijk maakt om hun oorsprong te achterhalen.

Neutrino’s hebben dat nadeel niet: ze bewegen in rechte lijn. Als actieve sterrenstelsels zoals TXS 0506+056 aantoonbaar een bron van energierijke neutrino’s zijn, is het dus heel aannemelijk dat zij tevens belangrijke producenten van ‘gewone’ kosmische straling zijn.

„In de deeltjesfysica is men gewend om neutrino’s en gammastraling op te wekken door protonen te versnellen”, legt Falcke uit. „En de grote vraag was of er in de ruimte iets vergelijkbaars aan de gang kan zijn. We zien de protonen wel op aarde aankomen, maar hadden nog nooit een ‘versneller’ waargenomen.” Die onzekerheid is nu weggenomen: TXS 0506+056 gedraagt zich als een deeltjesversneller in de ruimte.

„Voor mij komt dat niet als een heel grote verrassing, maar het is goed dat het verband na 20 jaar zoeken nu eindelijk is gevonden”, zegt Falcke. „Het was echt een van de hoofddoelen van experimenten als IceCube.”

    • Eddy Echternach