29 mei 2022

Waar komt die extreem energierijke kosmische straling eigenlijk vandaan?

Kosmische straling. Credit: Asimmetrie/Infn

Sinds de experimenten hoog in de atmosfeer met behulp van ballonvluchten door Victor Hess in de periode 1911-1913 weten we dat de aardse atmosfeer continue wordt gebombardeerd door zeer energierijke deeltjes uit het heelal: de kosmische straling. De energie van deze deeltjes – meestal protonen, soms zwaardere atoomkernen, soms elektronen – is enorm hoog. Vinden we de 6,5 tera-elektronvolt (=6,5 x 10^12 eV) van de protonen die nu door de Large Hadron Collider zwiepen al hoog, de energie van de kosmische straling is véél hoger. De laagste (kinetische) energie is zo’n 1 x 10^9 eV, de energie van de ‘ultra-high-energy cosmic ray (UHECR)’ is minstens 1 x 10^18 eV, de meest energierijke categorie is die van de ‘extreme-energy cosmic ray (EECR)’, die meer dan 5 x 10^19 eV aan energie hebben. Recordhouder onder de EECR’s is het Oh-mijn-God-deeltje, welke op 15 oktober 1991 ’s nachts werd gedetecteerd met de Fly’s Eye array in de militaire basis Dugway Proving Ground in de woestijn van Utah (VS). De kinetische energie van dit ene proton overtrof alles: 320 exa-electronvolt, oftewel 3,2 x 10^20 eV. Zou dit ene enkele deeltje op je teen vallen zou het net zo aanvoelen als een bowlingbal die op je tenen valt –  let wel, één bowlingbal bevat net zoveel atomen als er sterren in het heelal zijn.

SwordyCosmicRaySpectrum_v1

Credit: Olena Shmahalo/Quanta Magazine. Original data via S. Swordy, U. Chicago.

Grote vraag is natuurlijk: wat is in staat om deze extreem energierijke deeltjes te produceren, deeltjes die miljoenen keren zoveel energie hebben als de protonen in ’s werelds grootste deeltjesversneller LHC? Lang dacht men aan supernovae, maar berekeningen hebben laten zien dat die alleen protonen kunnen produceren die komen tot de ‘knee’ in de afbeelding hierboven. Zelfs supernovae kunnen geen kosmische straling produceren die reikt tot rechtsonder, de ‘ankle’ van de grafiek. In 2007 dacht men het antwoord gevonden te hebben: met de grote Pierre Auger detector van kosmische straling in Argentinië dacht men de bron van kosmische straling te hebben gevonden, sterrenstelsels met actieve kernen, aangedreven door superzware zwarte gaten. Maar vorig jaar verdampte het optimisme hierover, toen de gevonden correlatie tussen kosmische straling en actieve sterrenstelsels toch niet bleek te bestaan. De vraag waar de kosmische straling vandaan komt is dus nog steeds actueel. Belangrijk ingrediënt in de theorieën erover is de genoemde grens van de EECR, 5 x 10^19 eV. Dit is de zogeheten Greisen-Zatsepin-Kuzmin limiet (GZK limiet). De limiet is in 1966 bedacht 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 2,7 Kelvin warme kosmische achtergrondstraling – het restant van de hete oerknal, waarmee 13,82 miljard jaar geleden het heelal ontstond, de CMB (cosmic microwave background) – waarbij o.a. pionen (Ï€+ in de afbeelding hieronder) zullen ontstaan, met een massa van 135 MeV.interactieAlle deeltjes van de kosmische straling met een energie van 60 EeV en hoger zouden volgens GZK moeten reageren met de kosmische achtergrondstraling en dat zou energieverlies moeten opleveren. Theoretisch zouden die EECR dus niet mogen voorkomen en zeker het Oh-mijn-God-deeltje niet. En toch worden ze waargenomen, dus hoe kan dit? Eén van de mogelijke oplossingen is dat ze niet van heel ver weg komen, maar van binnen onze eigen lokale supercluster van sterrenstelsels, alles binnen de straal van de zogeheten GZK-horizon, welke 163 miljoen lichtjaar groot is.

Credit: K. Kawata, University of Tokyo Institute for Cosmic Ray Research.

Vorig jaar bleek men een ‘hotspot’ aan de hemel hebben gevonden van ultra-energierijke kosmische straling, een gebied aan de hemel dat in de richting van het sterrenbeeld Grote Beer ligt (zie afbeelding hierboven). Het is een groot gebied aan de hemel met een diameter van zo’n 40°, pakweg 6% van de sterrenhemel, waar 27% van alle EECR’s met een energie groter dan 57 EeV vandaan komt. De betrouwbaarheid van de metingen is 4sigma, dat wil zeggen dat er een kans van 99,994% is dat de hotspot echt is. Ondersteunend bewijs voor de hotpot is de detectie van zeer energierijke neutrino’s door de IceCube detector op de Zuidpool, zoals Bert, Ernie en Big Bird. Van de 54 waargenomen hoge energieneutrino’s komen vier uit de hotspot, niet heel veel, maar toch is er een zwakke correlatie.Alles wijst er op dat alle ’trans-GZK kosmische deeltjes’, dat zijn de EECR die de GZK-limiet overschrijden, ergens in onze eigen lokale supercluster ontstaan, waardoor ze geen energieverlies hebben dat afgetapt is door de CMB en dat een bron ervan zich bevindt ergens in het sterrenbeeld Grote Beer of daar in de buurt. Wat zou dat dan voor bron moeten zijn en welk mechanisme is verantwoordelijk voor de productie van dergelijke krankjorum hoge energiedeeltjes? Met een nieuwe generatie kosmische detectors zoals het Pierre Auger observatorium en de Telescope Array,  drie uur rijden van de oorspronkelijke Fly’s Eye in Utah, hopen ze de het gebied van de hotspot aan de hemel te kunnen verkleinen tot één puntbron. Theoretici denken dat de EECR-kosmische straling ontstaat door een proces dat ‘schokacceleratie’ wordt genoemd, vergelijkbaar met sonische golven die ontstaan door supersonische jets, maar dan op veel grotere schaal. Als een hete geïoniseerde gaswolk zich sneller dan de geluidsgolf uitbreidt zouden deeltjes die achter die schokgolf heen en weer worden gekaatst meer energie kunnen opbouwen en zo kunnen groeien tot een EECR. In de volgende interactieve afbeelding zie je dit uitgebeeld.

Credit: Emily Fuhrman for Quanta Magazine

Bron: Backreaction + Quanta Magazine

Comments

  1. Obelix zegt

    NB wat een ‘merkwaardig nauwkeurige kaart’ krijgt men met slechts 54 meetpunten….

    Groet, Paul

Speak Your Mind

*

Deze site gebruikt Akismet om spam te verminderen. Bekijk hoe je reactie-gegevens worden verwerkt.