22 juli 2014

Best vreemd eigenlijk, dat kosmische straling met ultrahoge energie bestaat

De aarde wordt van buitenaf continue bestookt door een bombardement van de ‘kosmische straling‘, een verzamelnaam voor deeltjes en fotonen. Hieronder bevinden zich geladen deeltjes, zoals protonen, kernen van helium en zwaardere elementen en elektronen, maar ook neutrino’s, en hoog-energetische fotonen. Over twee van die neutrino’s – getooid met de vrolijke namen Bert en Ernie – had ik vanmorgen nog een bericht. Bovenin de atmosfeer van de aarde kunnen die deeltjes in botsing komen met deeltjes uit de atmosfeer en dan kan een ‘cascade’ aan nieuwe deeltjes ontstaan, zoals te zien op deze afbeelding:

kosmische straling

De kosmische straling met een lage energie (rond een miljard electronvolt) is meestal van de zon afkomstig. De energierijkere kosmische straling tot 10^16 eV zou geproduceerd worden door supernovae of restanten daarvan. Maar er is ook kosmische straling die nog veel energierijker is, waarbij ik gemakshalve even de Engelse termen hanteer: ultra-high-energy cosmic rays (UHECR), zijn deeltjes met een kinetische energie groter dan 10^18 eV en daar weer een zware variant van, de extreme-energy cosmic rays (EECR), dat zijn UHECR met energieën boven 5×10^19 eV.

Energiespectrum van kosmische straling. Verticale as: Flux (aantal deeltjes of fotonen) per oppervlak per seconde per steradiaal (hoekmaat) per GeV, horizontale as: energie in GeV. Lage energieën zijn talrijk: 1 per vierkante meter per seconde. Maar de hoogste energieën zijn relatief zeldzaam, namelijk 1 voorval per vierkante kilometer per jaar.

Energiespectrum van kosmische straling. Verticale as: Flux (aantal deeltjes of fotonen) per oppervlak per seconde per steradiaal (hoekmaat) per GeV, horizontale as: energie in GeV. Lage energieën zijn talrijk: 1 per vierkante meter per seconde. Maar de hoogste energieën zijn relatief zeldzaam, namelijk 1 voorval per vierkante kilometer per jaar.

Waar komen die extreme deeltjes vandaan? Niet uit de Melkweg zelf, maar vermoedelijk van gammaflitsers en superzware zwarte gaten in de centra van actieve sterrenstelsels. Vooral die laatste EECR-categorie is vreemd, want eigenlijk zou die niet mogen bestaan. De energie van 5×10^19 eV is namelijk de bovengrens van de energie die deeltjes van de kosmische straling kunnen hebben volgens de Greisen-Zatsepin-Kuzmin-Limiet, kortweg de GZK-Limiet. De limiet is in 1966 opgesteld door Kenneth Greisen, Vadim Kuzmin and Georgiy Zatsepin. Zij berekenden dat kosmische straling met een energie groter dan 5×10^19 eV zal reageren met de fotonen van de kosmische achtergrondstraling – het restant van de hete oerknal, waarmee 13,82 miljard jaar geleden het heelal ontstond – waarbij o.a. pionen (π+ in de afbeelding hieronder) zullen ontstaan, met een massa van 135 MeV.

interactie

Doordat de botsingskans toeneemt met de afstand, zal extragalactische kosmische straling die een afstand van meer dan 163 miljoen lichtjaar – de zogenaamde GZK-horizon – aflegt tot de Aarde, geen energie meer kunnen hebben groter dan de GZK-limiet, aangezien er geen objecten zijn die binnen die afstand deze deeltjes kunnen produceren. Kortom, de GZL-limiet zegt dat kosmische straling nooit meer energie kan hebben dan 5×10^19 eV. En toch detecteert men met regelmaat EECR-deeltjes, waarvan de recordhouder het Oh-Mijn-God-Deeltje is, het deeltje dat 15 oktober 1991 werd waargenomen ergens boven de Dugway Proving Ground, een legerbasis van de VS. Gemeten energie van die joekel: 3,2 × 10^20 eV, zes keer hoger dan de GZK-cutoff, zoals de grens ook wel wordt genoemd.

Deeltjes zoals het Oh-Mijn-God-deeltje zouden uit de kern van sterrenstelsels zoals Centaurus A afkosmtig kunnen zijn

Deeltjes zoals het Oh-Mijn-God-deeltje zouden uit de kern van sterrenstelsels zoals Centaurus A afkomstig kunnen zijn

De vraag moet dus luiden hoe het kan dat er deeltjes bestaan, wiens energie hoger is dan de GZK-limiet. Men spreekt in dit verband van de GZK-paradox of de kosmische stralingsparadox. Er zijn een paar suggesties gegeven hoe dit zou kunnen worden opgelost:

  • de gegevens van deinstrumenten die de EECR detecteren worden verkeerd geïnterpreteerd.
  • er zijn binnen de GZK-horizon van 163 miljoen lichtjaar wel degelijk lokale bronnen van EECR.
  • zware atoomkernen zouden wellicht niet gehouden zijn aan de GZK-limiet.

Afijn, een leuk onderwerp waar we vast meer over zullen horen. :bron: Bron: Wikipedia + Starts with a Bang + opnieuw Wikipedia.

Share

Laat wat van je horen

* Copy This Password *

* Type Or Paste Password Here *