Een mysterie over kosmische deeltjes – Wissenschaft.de

De aarde wordt voortdurend blootgesteld aan hoogenergetische deeltjes uit de diepe ruimte: kosmische straling. Maar op 27 mei 2021 pikte een netwerk van telescopen in de Verenigde Staten van Amerika het signaal op van een kosmisch deeltje dat astronomen voor raadsels stelt. Omdat dit deeltje, Amaterasu genaamd, in botsing kwam met de atmosfeer van de aarde met een enorme energie van 244 exa-elektronvolt – tien miljoen keer meer dan wat de krachtigste deeltjesversneller op aarde kan genereren. Dit betekent dat dit deeltje slechts bij een paar gebeurtenissen op dit energieniveau hoort. Waardoor deze kosmische deeltjes vrijkomen is nog steeds niet helemaal duidelijk. Ook de oorsprong van het Amaterasu-deeltje is raadselachtig: het lijkt afkomstig te zijn uit een vrijwel leeg gebied van ons universum.

Kosmische straling is overal in de ruimte aanwezig. Op aarde wordt een groot deel van deze hoogenergetische geladen deeltjes echter onderschept door het magnetische veld en de atmosfeer. Sommigen van hen dringen echter zo ver door dat ze kunnen botsen met gasatomen in de atmosfeer en een hele regen van secundaire deeltjes kunnen creëren. Hun hoeveelheid, energie en richting maken het mogelijk om op zijn minst te reconstrueren welk soort deeltje ons heeft geraakt, met welke energie en vanuit welke richting. Laagenergetische deeltjes lijken afkomstig te zijn van de zon, nabijgelegen sterren en ook van het centrum van de Melkweg. Kosmische straling komt ook vrij als versnelde deeltjes tijdens supernova’s of zwarte gaten. De oorsprong van het meest energetische deel van de kosmische straling is echter grotendeels onduidelijk. Deze deeltjes racen door de ruimte met een energie die groter is dan een exa-elektronvolt – wat overeenkomt met een biljoen elektronvolt, of een miljoen keer de botsingsenergie van protonen in de Large Hadron Collider (LHC) deeltjesversneller van CERN Research.

Energieën in het ex-elektronvoltbereik

Tot nu toe hebben astronomen slechts een twintigtal kosmische deeltjes ontdekt die tot deze ultrahoge-energetische kosmische straling (UHECR) behoren. “Bij energieën boven de 100 eV is de flux minder dan één deeltje per eeuw per vierkante kilometer”, leggen astronomen van de Telescope Array Collaboration uit. Een van de weinige gebeurtenissen van dit type is het zogenaamde Oh My God-deeltje, dat in 1991 werd ontdekt en een energie had van 320 eV. “Volgens algemene aannames ligt de oorsprong van deze UHECR-deeltjes in de meest actieve verschijnselen in het heelal, zoals relativistische jets van zwarte gaten, gammaflitsen of grootschalige schokgolven die worden gegenereerd door botsingen tussen sterrenstelsels”, leggen astronomen uit. De afstand waarover deeltjes zulke hoge energie kunnen behouden is echter beperkt: ze interageren met de microgolfachtergrond van het heelal en worden daardoor afgeremd. Volgens de huidige theorie zouden de meest energetische UHECR-golven afkomstig kunnen zijn van een maximale afstand van 160 tot 320 miljoen lichtjaar.

Maar astronomen onder leiding van Toshihiro Fujii van de Osaka Metropolitan University melden nu opnieuw een recordbrekende gebeurtenis. Op 27 mei 2023 vingen deeltjesdetectoren van de Telescope Array in Utah, verspreid over een gebied van 700 vierkante kilometer, de secundaire deeltjesregen van een kosmisch deeltje op met een enorme energie van 244 exa-elektronvolt. “Toen ik deze hoogenergetische kosmische straling ontdekte, dacht ik aanvankelijk dat er iets mis was, omdat deze een energieniveau vertoonde dat de afgelopen dertig jaar ongekend was”, zegt Fujii. Alleen het omg-deeltje was iets actiever. Verdere analyse suggereert dat het huidige deeltje, genaamd “Amaterasu” naar de Japanse zonnegodin, mogelijk een proton of een groter geladen deeltje was.

Waar komen deze moleculen vandaan?

Om erachter te komen waar het Amatarasu-deeltje vandaan kwam, evalueerden astronomen de hoeken waaronder secundaire deeltjes detectoren raakten. Omdat deeltjes met zulke hoge energieën moeilijk af te buigen zijn door kosmische magnetische velden en andere invloeden op hun pad, kan op zijn minst de vliegrichting hieruit worden bepaald.
Wederopbouw. “Je kunt dan zien waar deze deeltjes in de lucht vandaan komen”, legt co-auteur John Matthews van de Universiteit van Utah uit. Toen astronomen echter het pad van het Amaterasu-deeltje reconstrueerden, kwam er iets verrassends naar voren: het deeltje lijkt uit de lokale leegte te komen – een relatief leeg gebied in de ruimte nabij onze Lokale Groep van sterrenstelsels. “Er bevindt zich slechts een klein aantal sterrenstelsels in deze leegte, en geen van hen heeft plaatsen waar UHECR-deeltjes door versnelling zouden kunnen ontstaan”, schreven de astronomen. In een vacuüm zijn er geen bronnen van gammastraling of andere kosmische verschijnselen die voldoende energie opwekken. Hoewel er zich stroomafwaarts een actief sterrenstelsel bevindt, bevindt dit zich op ongeveer twee miljard lichtjaar afstand, en dus buiten de maximale afstand voor zulke extreem energierijke deeltjes.

“Het is echt een mysterie: ‘Wat is hier aan de hand?'”, zegt Matthews. Bovendien lijken de weinige UHECR-gebeurtenissen die tot nu toe zijn vastgelegd, uit totaal verschillende richtingen te komen. Het Oh My God-deeltje kwam ook uit een ander deel van de lucht. “Er lijkt geen focus te zijn voor deze hoogenergetische gebeurtenissen”, leggen de astronomen uit. Wat de oorzaak is van deze extreem energierijke deeltjes in het x-elektronvoltbereik blijft momenteel een mysterie.

Bron: Cooperative Telescope Group, Science, doi: 10.1126/science.abo5095

© Wissenschaft.de – Nadja Podbrijar