In een publicatie in Science van 22 september levert de Pierre Auger Collaboratie het bewijs dat de bronnen van de hoogst energetische deeltjes uit de ruimte zich ver buiten ons eigen melkwegstelsel bevinden. De energie van deze zogenaamde kosmische straling die continu de aarde bereikt is een miljoen keer hoger dan die van de protonen in de Large Hadron Collider op CERN.
In de jaren ’60 werd voor het eerst kosmische straling met een zeer hoge energie van een aantal Joule per subatomair deeltje waargenomen. Sinds die tijd is gespeculeerd over de oorsprong van deze atoomkernen: komen ze uit ons eigen melkwegstelsel of van veel verder weg in het universum? De data van het Pierre Auger Observatorium in Argentinië, de grootste detector ooit gebouwd voor het meten van kosmische stralen, is gebruikt om dit mysterie op te lossen. Uit metingen van de aankomstrichting van meer dan 30.000 kosmische deeltjes blijkt dat er significant meer deeltjes uit de ene dan uit de andere richting komen ten opzichte van een vast coördinatenstelsel ten opzichte van onze Melkweg. Het maximum ligt zelfs op 120o van de richting van het centrum van onze eigen Melkweg. Hoewel deze ontdekking nadrukkelijk duidt op een extragalactische oorsprong van deze deeltjes, zijn hun individuele bronnen nog niet achterhaald. De richting van het overschot aan deeltjes wijst naar een ruim gebied aan de hemel, waar nu verder gezocht kan worden naar de puntbronnen van de straling.
Mysterie van de astrodeeltjesfysica
Professor Karl-Heinz Kampert (Universiteit van Wuppertal), leider van de Pierre Auger Collaboratie die uit 400 wetenschappers uit 18 landen bestaat, vertelt: “We zijn nu aanzienlijk dichter bij de oplossing van het mysterie van de herkomst van deze uitzonderlijke deeltjes, een belangwekkende vraag uit de astrodeeltjesfysica. Onze waarneming geeft duidelijk aan dat deze deeltjes buiten onze Melkweg zijn versneld.” Professor Alan Watson (Universiteit van Leeds), voormalig leider van de collaboratie, beschouwt dit “een van de opwindendste resultaten die we hebben behaald, één die een probleem oplost waarvoor het Observatorium 25 jaar geleden door Jim Cronin en mijzelf is bedacht.”
Professor Sijbrand de Jong (Radboud Universiteit en Nikhef) vult aan: “Met deze vondst sluiten we een hele klasse van mogelijke bronnen van hoogenergetische deeltjes uit. De speurtocht naar de precieze herkomst van de deeltjes is zo interessant omdat op die locatie extreme fysische processen plaatsvinden, waaruit elementaire deeltjes voortkomen met een energie die wij hier op aarde niet kunnen maken. Uiteindelijk willen we niet alleen weten waar die deeltjes vandaan komen, maar ook hoe ze ontstaan.”
Zeldzame deeltjes, gigantische detector
Kosmische straling bestaat uit atoomkernen van de chemische elementen van waterstof (protonen) tot ijzer. Er valt één deeltje per vierkante kilometer per jaar met een energie van meer dan 2 Joule op de aardse atmosfeer. Het is mogelijk zulke zeldzame deeltje te detecteren omdat ze interacties aangaan met moleculen in de atmosfeer. Daarbij worden lawines van elementaire deeltjes geproduceerd. Deze lawines vliegen met de lichtsnelheid door de dampkring terwijl ze uitdijen tot een aantal kilometers in diameter en kunnen meer dan honderd miljard deeltjes bevatten. De deeltjes die op aarde terecht komen worden in het Pierre Auger Observatorium met een deeltjesdetector waargenomen. Deze deeltjesdetector bestaat uit 1600 tanks, elk met 12 ton water, die in het westen van Argentinië verspreid staan over een oppervlak van 3000 km2, een gebied zo groot als de provincie Zuid-Holland. Uit de met GPS nauwkeurig gemeten aankomsttijden van de deeltjes in elke tank kan de richting van de lawine tot op 1o nauwkeurig worden gemeten.
Puntbronnen traceren
Er bestaat kosmische straling met zelfs veel hogere energie dan de meeste deeltjes in deze studie, sommige zelfs met de energie van een hard geslagen tennisbal gebundeld in 1 subatomair deeltje. Van deze deeltjes wordt verwacht dat ze vrijwel rechtdoor gaan in de magneetvelden in de ruimte en daardoor beter terugwijzen naar hun bron. Deze straling is echter nog veel zeldzamer, en vervolgstudies zijn gaande om hiermee de puntbronnen van ultrahoog energetische kosmische straling te traceren. Voor deze meting ondergaat het Pierre Auger Observatorium op dit moment een upgrade, die naar verwachting in 2018 zal worden afgerond.
Professor Sijbrand de Jong droomt alvast verder: “We werken nu heel hard aan de Auger Upgrade en willen zelfs graag een hele nieuwe detectielaag toevoegen met de radiodetectietechniek die door ons is ontwikkeld. We krijgen dan echt goed grip op onze metingen en het vinden van puntbronnen moet dan binnen handbereik komen.”
Nederlandse inbreng
Nederlandse fysici en astrofysici zijn sinds 2005 betrokken bij het onderzoek van het Pierre Auger Observatorium. Speerpunt in het Nederlandse onderzoek is het ontwikkelen van een detectietechniek, waarbij radio-ontvangers gebruikt worden om kosmische stralen waar te nemen. De Nederlandse onderzoekers bij het Pierre Auger Observatorium werken bij de Radboud Universiteit, de Rijksuniversiteit Groningen, het Nikhef (Nationaal instituut voor subatomaire fysica), en ASTRON (Nederlands Instituut voor radioastronomie). Nikhef is een samenwerkingsverband tussen de institutenorganisatie van NWO en vijf universiteiten: de Radboud Universiteit, de Rijksuniversiteit Groningen, de Universiteit van Amsterdam, de Universiteit Utrecht en de Vrije Universiteit Amsterdam.
—
Noten voor verslaggevers:
Meer informatie in het Engels, inclusief een kopie van het artikel, kan online worden gevonden op de Science webpagina http://www.eurekalert.org/jrnls/sci. Daar heeft u uw gebruikersnaam en wachtwoord nodig om bij de informatie te kunnen komen.
Persbericht van de collaboratie
________________________________________________________________________________________
Contactpersonen in Nederland:
Sijbrand de Jong, leider van het Nikhef-programma in de Pierre Auger Collaboratie en hoogleraar Experimentele natuurkunde aan de Radboud Universiteit, +31 6 2040 3689
Jörg Horandel, assistent-professor Astrodeeltjesfysica aan de Radboud Universiteit en verbonden aan Nikhef, +31 24 36 52802
Olaf Scholten, hoogleraar Astrodeeltjesfysica, KVI-CART, Universiteit van Groningen, +31 50 363 3552
