Kosmische straling.
Dat is de naam voor de geladen deeltjes die door onze Melkweg schieten. Ze bewegen snel. Sneller dan alles wat mensen op aarde hebben gebouwd. De Large Hadron Collider is indrukwekkend. Deze deeltjes lachen erom.
Meestal zijn het protonen. Sommige elektronen, zeker. Maar protonen.
Tientallen jaren lang wisten astronomen dat er een bron moest zijn. Een kosmische versneller. Een “PeVatron.” Het probleem was om het te bewijzen. Je kunt niet alleen maar naar de lucht kijken en zeggen: “Ja, dat zijn protonen.” Niet zonder in verwarring te raken.
Een internationaal team onder leiding van de Universiteit van Hiroshima heeft het gedaan. Ze bevestigden dat een object genaamd LHAASO J1911+1014u inderdaad een proton PeVatron is. Dit is geen gok. Het is geen ‘misschien’. Het is de protonenbron met de hoogste energie die we tot nu toe in de Melkweg hebben gevonden.
Waarom het protonprobleem ertoe doet
Hier is de technische hindernis: gammastraling.
Gammastraling is licht met hoge energie. Ze ontstaan wanneer kosmische straling tegen dingen botst. Meestal gas. Soms magnetische velden. Het probleem? Zowel protonen * als * elektronen creëren gammastraling.
Als je een uitbarsting van gammastraling ziet, hoe weet je dan welk deeltje deze heeft veroorzaakt?
Elektronen zijn stiekem. Ze kunnen protonsignaturen nabootsen. Dit heeft het bevestigen van een “proton PeVatron” lange tijd vrijwel onmogelijk gemaakt. Een PeVatron versnelt protonen tot energieën boven één peta-elektronvolt (één biljard eV). Dat is enorm. Het is het energieplafond voor de standaard deeltjesversnellers van onze Melkweg.
“Het vinden van een protonenversneller voor kosmische straling boven dat PeVeV-niveau… is een van de meest opwindende onderwerpen in de moderne astrofysica”, zei Tsunefumi Mizuno. Mizuno is de hoofdauteur en universitair hoofddocent aan het Astrophysical Science Center in Hiroshima.
Wij hadden kandidaten. Tientallen van hen. Maar geen bewijs. LHAASO J1991+1014a zat daar, gloeiend van energie van meer dan 0,1 PeV. Maar zonder duidelijk onderscheid tussen protonen- en elektronenbronnen bleef het een verdachte, geen veroordeelde.
Drie pijlen, één doel
Mizuno citeerde een oud Japans spreekwoord. “Eén pijl is makkelijk te breken. Drie bij elkaar, niet zo veel.”
Die logica heeft hij toegepast. In plaats van te vertrouwen op één instrument, bundelde het team drie verschillende datasets. Ze moesten elektronen uitsluiten en protonen isoleren.
- Gammastraling vanuit de ruimte: NASA’s Fermi Large Area Telescope heeft gammastraling gemeten rond 1 GeV. Dat is één miljard elektronvolt.
- Radiogolven vanaf de grond: Het Japanse FOREST-onderzoek met behulp van de Nobeyama 45m-telescoop bracht interstellair gas in kaart.
- Röntgenstralen vanuit de ruimte: NASA’s Chandra Observatory keek naar zwakke röntgenstraling.
De resultaten? Ze sloten elektronen uit. Koude kalkoen.
Het rokende pistool: gas, gammastraling en stilte
Hoe wisten ze dat het geen elektronen waren?
Aanwijzing 1: De energiespanne.
De emissie van gammastraling stopte niet. Het strekte zich voortdurend uit van meer dan 100 biljoen eV naar 400 miljoen eV. Volgens de natuurkunde zou een elektronenversneller niet de kracht moeten hebben om die vorm in stand te houden. Protonen zouden dat kunnen.
Aanwijzing 2: De gaskaart.
Fermi zag gammastraling. FUGIN zag dichte wolken van interstellair gas. De kaarten pasten perfect bij elkaar. Hoogenergetische protonen botsen tegen gas. Gas raakt gas. Gammastraling explodeert. Als het elektronen waren, zou de kaart er anders uitzien. Elektronen hebben geen interactie met gas om op dezelfde manier gammastraling te creëren. Ze interageren met licht en magnetische velden. De correlatie was onmiskenbaar.
Aanwijzing 3: Het gebrek aan geluid.
Dit is de subtiele. Als je een populatie van hoogenergetische elektronen had gehad, zou Chandra sterke diffuse röntgenstralen hebben gezien. Elektronen spiraliseren in magnetische velden en schreeuwen in röntgenstralen. Chandra zag… bijna niets. Zeer zwakke emissie. Stilte waar lawaai zou moeten zijn.
“Drie bewijsstukken wezen op proton PeVatron,” zei Mizuno.
De elektronen werden uitgesloten. De gascorrelatie bevestigde de protonen. De stilte van Chandra bezegelde het.
LHAASO J11+101u: Waar en wat
Het object bevindt zich in Aquila. In de buurt van Altair. Dat is de heldere ster die de Zomerdriehoek compleet maakt. Die driehoek kennen we allemaal van de julinachten.
Astronomen dachten aanvankelijk dat dit een supernova-overblijfsel was. Gewoon een dode ster die zijn ingewanden eruit blaast. Maar toen ontdekten ze emissies van meer dan 100 TeV (biljoen elektronvolt). Dat veranderde het verhaal.
Het is niet zomaar een overblijfsel. Het is een werkende versneller.
De studie, gepubliceerd in The Astrophysical Journal, maakt gebruik van wat het team ‘uitgebreide modellering van meerdere golflengten’ noemt. Dat is een mooie manier om te zeggen dat ze naar de bron van radio-, röntgen- en gammastraling hebben gekeken en de gegevens tot betekenis hebben gedwongen. Er past maar één verklaring: protonenversnelling.
Voorbij de ene bron
Dit eindigt hier niet.
De Melkweg zit vol met deze dingen. Tientallen andere potentiële proton PeVatrons zijn gemarkeerd door LHAASO. Nu hebben we een sjabloon. Een bevestigd voorbeeld. Een basislijn.
“We zijn nu van plan deze kandidaten systematisch te onderzoeken”, merkte Mizuno op.
We gaan van gissen naar verifiëren. De volgende stap is uitzoeken welke van de andere gloeiende klodders in onze Melkweg protonen daadwerkelijk naar snelheden van een miljard elektronvolt duwen.
Tot die tijd weten we één ding zeker. De ruimte versnelt protonen sneller dan we ooit hadden gedacht. En nu kunnen we het eindelijk bewijzen.
“Dit onderzoek is tot stand gekomen door teaminspanning”, zei Mizuno. “Eén pijl is gemakkelijk te breken…”
Drie pijlen. Gebundeld. Bevestigd.
