Het op één na meest extreem energierijke deeltje gedetecteerd: Amaterasu

Impressie van de detectoren van de Telescope Array die het deeltje Amaterasu detecteren. Credit: Osaka Metropolitan University/L-INSIGHT, Kyoto University/Ryuunosuke Takeshige

Op 27 mei 2021 is met de Telescope Array in Utah een kosmisch deeltje afkomstig uit de ruimte gedetecteerd dat extreem veel energie had. Het deeltje had een energie van maar liefst 2,44 x 10^20 electronvolt, da’s 244 exa-eV – zeg maar de energie die gelijk is aan het laten vallen van een baksteen op je teen vanaf heuphoogte. Let wel: we hebben het hier over de energie van één subatomair deeltje! De onderzoekers hebben het deeltje een naam gegeven: Amaterasu, naar een Japanse zonnegodin. Met die gigantische hoeveelheid energie is Amaterasu echter geen recordhouder. Dat is nog altijd het Oh-My-God deeltje, dat in 1991 werd gedetecteerd met het Fly’s Eye experiment, óók in Utah, en dat de teller deed uitslaan tot 3,2 x 10^20 eV, da’s vergelijkbaar met de kinetische energie van een basketball (142 gram) die met 100 km per uur wordt weggegooid of om bij de analogie van iets op je tenen laten vallen te blijven: zou het Oh-My-God deeltje op je teen vallen dan zou het net zo aanvoelen als een bowlingbal die op je tenen valt, aaauuuwwww! – zie deze Astroblog daarover.

Eén van de detectoren van de telescope Array. Credit: Theturnipmaster – Wikipedia.

De Telescope Array bestaat uit 507 detectoren die verspreid staan in een woestijngebied van 700 km² op 1200 meter hoogte bij Millard County in het westen van Utah. Het is een experiment opgezet door de Universiteiten van Utah en van Tokio, bedoeld om ultrahoge-energie kosmische straling (UHECR) mee te detecteren, deeltjes uit het heelal die een energie van minstens 5 x 10^19 eV hebben. Dat zijn energieën die tientallen miljoenen keren groter zijn dan de hoogste energie die in deeltjesversnellers op aarde kunnen worden bereikt. Die grens van 5 x 10^19 eV staat ook wel bekend als de Greisen–Zatsepin–Kuzmin (GZK) cutoff. 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 kosmische achtergrondstraling – het restant van de hete oerknal, waarmee 13,8 miljard jaar geleden het heelal ontstond – waarbij o.a. pionen (π+ in de afbeelding hieronder) zullen ontstaan, met een massa van 135 MeV.

Credit: JAXA

Met de Telescope Array hebben ze inmiddels meer dan dertig van die ultraenergierijke deeltjes gedetecteerd ^[1]Feitelijk detecteren ze op de grond de regens van secundaire deeltjes die een kosmisch stralingsdeeltje bovenin de aardatmosfeer losmaakt, zoals de illustratie bovenaan de blog laat zien. Daarvan had Amaterasu de hoogste energie. Toen die op 27 mei 2021 arriveerde konden 23 detectoren ‘m ‘zien’, allemaal gelegen in de noordwest hoek van de array, een gebied 48 km² groot. Men kon enigszins inschatten waar het deeltje vandaan kwam, vanuit de ‘Lokale Leegte‘, een gebied in de buurt van de Melkweg waar opvallend weinig sterrenstelsels liggen. En da’s eigenlijk best wel vreemd, want in dat gebied aan de hemel is er niets wat de bron van het extreem energierijke deeltje zou kunnen zijn. Dat was ook al zo met het Oh-My-God deeltje. Mogelijk worden deeltjes zoals Amaterasu en Oh-My-God op hun weg richting aarde anders beïnvloed door lokale magnetische velden dan men eerst dacht. Amaterasu was vermoedelijk een proton en daarvan was de veronderstelling dat zo’n enkel deeltje niet wordt afgebogen door magnetische velden, terwijl dat wel het geval is bij zwaardere samengestelde deeltjes, zoals ijzerkernen. Maar dat beeld moet wellicht worden herzien.

Men denkt dat actieve sterrenstelsels met een actief superzwaar zwart gat in hun centrum bronnen kunnen zijn van de extreem energierijke deeltjes. De blazar TXS 0506 + 056 is er bijvoorbeeld zo eentje, da’s een quasar waarvan de jet precies naar de aarde is gericht en waarvan ze in 2017 een neutrino hebben gedetecteerd met een energie van 290 biljoen eV (290 TeV). Men is van plan om de Telescope Array uit te breiden met nog eens 500 detectoren en het areaal tot 2.900 km². daarmee willen ze meer van dergelijke UHECR deeltjes detecteren en analyseren.

Over de ontdekking van Amaterasu is dit vakartikel verschenen: An extremely energetic cosmic ray observed by a surface detector array, Science (2023).

Bron: Phys.org.

Gerelateerde Astroblogs:

Astronomen stellen een ‘spiegeluniversum’ voor als mogelijke verklaring voor donkere materie