Melkweg bevat een "gigantische deeltjesversneller"

Deeltjes met een enorm grote energie waarvan gedacht werd dat ze vanuit andere sterrenstelsel kwamen, blijken ook uit onze eigen Melkweg te komen. Dat hebben astronomen van de VUB en de Radboud Universiteit Nijmegen ontdekt met de hulp van radiotelescopen. Radiotelescopen die oorspronkelijk bedoeld waren om het heelal te bestuderen, kunnen nu ook gebruikt worden voor deeltjesfysica.
Science Photo Library
Een supermassief zwart gat stoot straling uit en zeer snelle deeltjes (wit).

De ruimte is een gevaarlijke plek. Er vliegt namelijk van alles met hoge snelheid in het rond, van kometen tot elementaire deeltjes. Sommige van die deeltjes beschikken over een energie die een miljoen keer groter is dan in de grootste deeltjesversneller op aarde kan worden opgewekt.

Volgens de gangbare theorieën werd tot nu toe gedacht dat ze afkomstig waren van verre en exotische bronnen, zoals zwarte gaten in andere sterrenstelsels. Sterrenkundigen van de Vrije Universiteit Brussel en de Radboud Universiteit Nijmegen hebben nu ontdekt dat ook veel dichter bij huis, in onze Melkweg, deeltjes worden geproduceerd met veel extremere energie dan gedacht.

Enorme ster

‘Wij denken dat er een zeer krachtige deeltjesversneller in ons sterrenstelsel zit, wellicht in de vorm van een enorme ster,’ zegt astronoom en astrofysicus professor Stijn Buitink van de Vrije Universiteit Brussel in een persmededeling. Bultink is de belangrijkste auteur van de studie over de deeltjes die in "Nature" verschijnt.

De deeltjes die door dit kosmische ‘instrument’ worden geproduceerd, reizen met praktisch de snelheid van het licht door het heelal totdat ze als een kogel inslaan op de aardatmosfeer. Daarbij spatten ze uiteen in een douche van talloze kleinere deeltjes. `Door wisselwerking met het magnetische veld van de aarde ontstaat vervolgens een zeer korte (enkele miljardste van een seconde) maar felle radioflits,' zegt Olaf Scholten, deeltjesfysicus aan de Universiteit van Groningen en de VUB.

De onderzoekers bestudeerden 150 dagen aan meetgegevens van deze zogenoemde deeltjesdouches.

De circa 20.000 radioantennes van de Europese radiotelescoop LOFAR in Drente zijn in staat deze flits nauwkeurig te meten. Voor het eerst is het nu gelukt om vanuit het radiosignaal terug te rekenen naar de veroorzaker van de inslag.

"We kunnen de kogel nu identificeren", zegt Heino Falcke van de Radboud Universiteit. "In de meeste gevallen blijkt het om een enkele proton of een lichte atoomkern te gaan, afkomstig uit waterstof- of heliumatomen."

"We hebben – voor het eerst – met behulp van een radiotelescoop heel precies de massa van deze deeltjes kunnen bepalen", zegt Stijn Buitink. "Het blijkt dat ze lichter zijn dan verwacht. Dit betekent dat er mogelijk veel sterkere bronnen van dit soort hoogenergetische deeltjes in onze eigen Melkweg aanwezig zijn dan we aanvankelijk dachten." En dus ziet het er naar uit dat de meeste van deze deeltjes uit onze eigen Melkweg komen en niet van veel verder weg.

Deeltjesfysica

De bronnen van de hoog-energetische deeltjes zijn volgens de wetenschappers te beschouwen als gigantische kosmische deeltjesversnellers. Ze zijn miljoenen keren sterker dan de Large Hadron Collider (LHC) in Genève of welke toekomstige aardse deeltjesversneller dan ook.

En wat fantastisch nieuws is volgens de onderzoekers: de deeltjes zijn ook uitstekend inzetbaar voor natuurkundig onderzoek. De onderzoekers konden immers op basis van de meetgegevens een model opstellen dat de radiosignalen van botsende kosmische deeltjes nauwkeurig kon ontrafelen. Zo’n model bestond nog niet voor radiosignalen.

Heino Falcke, astronoom aan de Radboud Universiteit: “We kunnen nu dus heel precieze metingen doen en hoge-energiedeeltjesfysica gaan bedrijven met behulp van de eenvoudige FM-radioantennes zoals we die bij LOFAR gebruiken. De deeltjes komen gratis en voor niks aan uit de ruimte. Wij hoeven ze alleen maar op te vangen.”

De Nederlandse astronomen willen de techniek nu ook elders gaan toepassen. Jörg Hörandel, astrodeeltjesfysicus aan de Radboud universiteit, is in internationaal verband bezig om honderden radioantennes neer te zetten bij het Pierre Auger Observatory in Argentinië. Hörandel: “Pierre Auger is het grootste experiment ter wereld voor kosmische deeltjes. Met deze nieuwe methode kunnen wij uiteindelijk kosmische deeltjes van nog hogere energie bestuderen en met ongekende nauwkeurigheid.” Ook met nog gevoeligere telescopen, zoals de Square Kilometer Array die in Australië gebouwd zal worden, zal het ondzerzoek voortgezet worden.

LOFAR, de Low-Frequency Array, is een radiotelescoop in Drenthe die samengesteld is uit duizenden antennes. Hij is oorspronkelijk bedoeld om het heelal te bestuderen, maar kan nu ook gebruikt worden voor deeltjesfysica. Eerder al gebruikten de onderzoekers de radiosignalen van de deeltjesdouches die LOFAR opving, om het elektrische veld te bestuderen tijdens onweersbuien.