Een illustratie van een kunstenaar van een blazar zoals die onlangs is gevonden om neutrino's en kosmische straling tot enorme snelheden te versnellen. Het superzware zwarte gat in het midden van de accretieschijf stuurt een smalle hoogenergetische materiestraal de ruimte in, loodrecht op de schijf.
(Afbeelding: © DESY, Science Communication Lab)
Astronomen hebben voor het eerst een hoogenergetische neutrino naar zijn kosmische bron getraceerd en daarmee een eeuwenoud mysterie opgelost.
Neutrino's zijn bijna massaloze subatomaire deeltjes die geen elektrische lading hebben en daarom zelden met hun omgeving interageren. Inderdaad, biljoenen van deze "spookdeeltjes" stromen elke seconde onopgemerkt en ongehinderd door uw lichaam.
De meeste van deze neutrino's komen van de zon. Maar een klein percentage, dat extreem hoge energieën heeft, is vanuit zeer diepe ruimte naar onze nek van het bos geschoten. De inherente ongrijpbaarheid van neutrino's heeft tot nu toe verhinderd dat astronomen de oorsprong van dergelijke kosmische zwervers vastlegden. [Een neutrino traceren tot de bron: de ontdekking in afbeeldingen]
Waarnemingen door de IceCube Neutrino-sterrenwacht op de zuidpool en een groot aantal andere instrumenten stelden onderzoekers in staat één kosmische neutrino te volgen naar een verre blazar, een enorm elliptisch sterrenstelsel met een snel draaiend superzwaar zwart gat in het hart.
En er is meer. Kosmische neutrino's gaan hand in hand met kosmische straling, hoogenergetisch geladen deeltjes die continu op onze planeet inslaan. Dus de nieuwe vondst pakt blazars als versnellers van ten minste enkele van de snelst bewegende kosmische stralen.
Astronomen hebben zich dit al afgevraagd sinds kosmische straling voor het eerst werd ontdekt, al in 1912. Maar ze zijn gedwarsboomd door de geladen natuur van de deeltjes, die dicteert dat kosmische straling op deze manier wordt getrokken en dat door verschillende objecten terwijl ze door de ruimte zoemen. Het succes kwam uiteindelijk door het gebruik van de lineaire reis van een spookdeeltje van een medereiziger.
"We zijn al meer dan een eeuw op zoek naar de bronnen van kosmische straling, en we hebben er eindelijk een gevonden", vertelde Francis Halzen, hoofdwetenschapper aan het IceCube Neutrino Observatory en een professor in de natuurkunde aan de Universiteit van Wisconsin-Madison, aan Space. com. [Wacky Physics: The Coolest Little Particles in Nature]
Een teamprestatie
IceCube, dat wordt beheerd door de Amerikaanse National Science Foundation (NSF), is een toegewijde neutrino-jager. De faciliteit bestaat uit 86 kabels, die zich nestelen in boorgaten die zich uitstrekken over ongeveer 2,5 kilometer in het Antarctische ijs. Elke kabel bevat op zijn beurt 60 digitale optische modules van basketbalformaat, die zijn uitgerust met gevoelige lichtdetectoren.
Deze detectoren zijn ontworpen om het karakteristieke blauwe licht op te vangen dat wordt uitgezonden nadat een neutrino een wisselwerking heeft met een atoomkern. (Dit licht wordt afgeworpen door een secundair deeltje dat is ontstaan door de interactie. En voor het geval je je afvroeg: al dat bovenliggende ijs voorkomt dat andere deeltjes dan neutrino's de detectoren bereiken en de gegevens vervuilen.) Dit zijn zeldzame gebeurtenissen; IceCube ziet slechts een paar honderd neutrino's per jaar, zei Halzen.
De faciliteit heeft al een grote bijdrage geleverd aan de astronomie. In 2013 deed IceCube bijvoorbeeld de allereerste bevestigde detectie van neutrino's van buiten het Melkwegstelsel. Onderzoekers konden de bron van die hoogenergetische spookdeeltjes destijds niet achterhalen.
Op 22 september 2017 pakte IceCube echter weer een kosmische neutrino op. Het was extreem energiek en pakte ongeveer 300 tera-elektronvolt in - bijna 50 keer groter dan de energie van de protonen die door de krachtigste deeltjesversneller van de aarde cirkelen, de Large Hadron Collider.
Binnen 1 minuut na de detectie stuurde de faciliteit een automatische melding, waarbij andere astronomen werden gewaarschuwd voor de vondst en de coördinaten werden doorgestuurd naar het stukje lucht dat de bron van het deeltje leek te huisvesten.
De gemeenschap reageerde: bijna 20 telescopen op de grond en in de ruimte doorzochten die plek over het elektromagnetische spectrum, van laagenergetische radiogolven tot hoogenergetische gammastralen. De gecombineerde waarnemingen volgden de oorsprong van de neutrino tot een reeds bekende blazar genaamd TXS 0506 + 056, die ongeveer 4 miljard lichtjaar van de aarde verwijderd is.
Follow-up observaties door verschillende instrumenten, waaronder NASA's Fermi Gamma-ray Space Telescope en de Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov Telescope (MAGIC) op de Canarische Eilanden, onthulden een krachtige uitbarsting van gammastraling licht afkomstig van TXS 0506 + 056. [Gamma-Ray Universe: foto's van de Fermi-ruimtetelescoop van NASA]
Het IceCube-team heeft ook zijn archiefgegevens doorgenomen en meer dan een dozijn andere kosmische neutrino's gevonden die uit dezelfde blazar leken te komen. Deze extra deeltjes werden van eind 2014 tot begin 2015 opgepikt door de detectoren.
"Alle stukjes passen bij elkaar", zei Albrecht Karle, een senior IceCube-wetenschapper en UW-Madison-professor in de natuurkunde, in een verklaring. "De neutrino-uitbarsting in onze archiefgegevens werd een onafhankelijke bevestiging. Samen met waarnemingen van de andere observatoria is het overtuigend bewijs dat deze blazar een bron is van extreem energetische neutrino's, en dus van hoogenergetische kosmische straling."
De bevindingen worden gerapporteerd in twee nieuwe onderzoeken die vandaag (12 juli) online zijn gepubliceerd in het tijdschrift Science. Je kunt ze hier en hier vinden.
Multimessenger-astrofysica in opkomst
Blazars zijn een speciaal type superlichtgevend actief sterrenstelsel dat dubbele stralen licht en deeltjes uitblaast, waarvan er één rechtstreeks op de aarde is gericht. (Dat is gedeeltelijk waarom blazars ons zo helder lijken - omdat we ons in de rij van straalvuur bevinden.)
Astronomen hebben duizenden blazars door het hele universum geïdentificeerd, waarvan geen van allen tot nu toe is gebleken dat ze neutrino's naar ons slingeren zoals TXS 0506 + 056 is.
"Deze bron heeft iets speciaals, en we moeten erachter komen wat het is," vertelde Halzen aan Space.com.
Dat is slechts een van de vele vragen die door de nieuwe resultaten worden opgeworpen. Halzen zou bijvoorbeeld ook graag het versnellingsmechanisme willen weten: hoe krijgen blazars precies neutrino's en kosmische straling tot zulke enorme snelheden?
Halzen sprak optimisme uit over het beantwoorden van dergelijke vragen in de relatief nabije toekomst, daarbij verwijzend naar de kracht van "multimessenger-astrofysica" - het gebruik van ten minste twee verschillende soorten signalen om de kosmos te ondervragen - die in de twee nieuwe studies te zien zijn.
De ontdekking van neutrino volgt op de hielen van een ander multimessenger-herkenningspunt: in oktober 2017 kondigden onderzoekers aan dat ze een botsing tussen twee superdense neutronensterren hadden geanalyseerd door zowel de elektromagnetische straling als de zwaartekrachtgolven te observeren die tijdens de dramatische gebeurtenis werden uitgezonden.
'Het tijdperk van de multimessenger-astrofysica is aangebroken', zei NSF-directeur France Cordova in dezelfde verklaring. "Elke boodschapper - van elektromagnetische straling, zwaartekrachtgolven en nu neutrino's - geeft ons een vollediger begrip van het universum en belangrijke nieuwe inzichten in de krachtigste objecten en gebeurtenissen in de lucht."
