Een lichtflits die ongeveer anderhalve kilometer onder het ijs van de Zuidpool werd geregistreerd biedt waarschijnlijk een verklaring voor een mysterie dat wetenschappers ruim een eeuw lang heeft beziggehouden en tot een nieuw terrein in de astronomie kan leiden, waarin ongrijpbare elementaire deeltjes genaamd neutrino’s de hoofdrol zullen spelen.

Begin vorige eeuw ontdekte de natuurkundige Victor Hess dat de aarde permanent vanuit de ruimte wordt gebombardeerd door energetische deeltjes die we nu als ‘kosmische straling’ samenvatten. Sindsdien zijn wetenschappers op jacht naar de astrofysische fenomenen die deze deeltjes hun enorme versnelling hebben gegeven, zodat ze met onvoorstelbare energie door de kosmos zoeven.

De meeste van deze primaire deeltjes zijn elektrisch geladen en hun trajecten worden dan ook afgebogen door de magnetische velden die ze op hun reis door de ruimte tegenkomen, waardoor het zeer lastig is om hun oorsprong te herleiden. Daarom richt het onderzoek zich nu op neutrino’s, die geen elektrische lading en vrijwel geen massa hebben, waardoor ze rechtstreeks tot hun bron kunnen worden herleid.

Voorop in het onderzoek loopt het IceCube Neutrino Observatory op de Zuidpool, dat nu een handvol hoogenergetische neutrino’s – naast andere primaire deeltjes – heeft kunnen traceren naar een zeer ver afgelegen sterrenstelsel. De ontdekking is een opsteker voor een nieuwe discipline binnen de astronomie waarin de structuur van de kosmos kan worden beschreven aan de hand van andere deeltjes dan fotonen.

“Het is zeker opwindend om eindelijk een kosmische versneller op het spoor te zijn gekomen,” zegt Francis Halzen, verbonden aan de University of Wisconsin in Madison en wetenschappelijk hoofd van de IceCube. De resultaten van het onderzoek werden in drie wetenschappelijke artikelen beschreven, die vorige week in de tijdschriften Science en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society zijn verschenen.

Ongrijpbaar

Al eerder hadden wetenschappers neutrino’s ontdekt die afkomstig waren van de zon en van naburige overblijfselen van supernova’s, maar geen van deze bronnen is krachtig genoeg om de meest energetische kosmische deeltjes richting de aarde te slingeren.

Een afbeelding van de Hubbleruimtetelescoop laat ongekende details zien van het Antennestelsel een gebied waar stervorming plaatsvindt Het is twee tot driehonderd miljoen jaar geleden ontstaan toen twee sterrenstelsels in botsing kwamen De heldere blauwwitte gebieden zijn nieuwe sterren omringd door roze gekleurd waterstof Ons sterrenstelsel de Melkweg en het nabijgelegen Andromedastelsel zullen naar verwachting over een paar miljard jaar op een soortgelijke manier met elkaar botsen

Omdat neutrino’s vrijwel geen interactie aangaan met andere vormen van materie, is alleen al het detecteren van deze deeltjes een hele opgave. Biljoenen neutrino’s van de zon schieten op dit moment door ieder van ons heen. In het IceCube-observatorium, dat één kubieke kilometer ijs onder het Zuidpoolstation Amundsen-Scott beslaat, worden 5160 lichtsensoren gebruikt om minieme flitsen vast te leggen die ontstaan wanneer kosmische neutrino’s met enorme snelheid door de aarde schieten en op atoomkernen in het ijs botsen.

Sinds 2013 hebben zich meerdere hoogenergetische neutrino’s (waarvan sommige naar figuren uit Sesamstraatzijn vernoemd) door het ijs geboord en de sensoren van de IceCube doen afgaan. Maar het blijft ongelooflijk moeilijk om de deeltjes tot één duidelijke kosmische bron te herleiden, want ze geven de wetenschappers hooguit vage aanwijzingen over hun oorsprong.

Een topdag

Maar op 22 september 2017 zoefde één enkele neutrino met bijna de snelheid van het licht door de aarde en werd door de sensoren van de IceCube geregistreerd. Het deeltje had een energie van maar liefst 290 TeV (tera-elektronvolt) – bijna vijftigmaal krachtiger dan de meest energetische protonenbundels die in de deeltjesversneller Large Hadron Collider (LHC)kunnen worden opgewekt. De botsing deed een alarm afgaan, waardoor de neutrinojagers wisten dat de jacht naar de bron van het deeltje was geopend.

Toen de onderzoekers het traject van het neutrino naar zijn oorsprong traceerden, kwamen ze uit op een plek in de buurt van het sterrenbeeld Orion, een locatie waar meerdere telescopen vrijwel gelijktijdig een enorme kosmische energie-uitbarsting hadden waargenomen.

In dat gedeelte van de noordelijke nachthemel was een verafgelegen kosmisch object – een zogenaamde ‘blazar’ – eindelijk ontwaakt en begonnen met het uitstoten van energetische deeltjes, waaronder extreem energetische gammastraling, die door de Fermi Gamma-Ray Space Telescope (in een baan rond de aarde) was opgepikt.

De gammastraling was afkomstig van een reusachtig elliptisch sterrenstelsel genaamd TXS 0506+056, een monster met een superzwaar zwart gat in zijn centrum. Terwijl dit zwarte gat zich tegoed doet aan omringend gas en stof, produceert het straalstromen (jets) van hoogenergetische deeltjes. En het toeval wil dat een van de straalstromen precies op de aarde is gericht.

“Blazars behoren tot de krachtigste astrofysische bronnen in het universum,” zegt Maria Petropoulou van de Princeton University. En TXS 0506+056 behoort weer tot de blazars die aan de nachthemel het felst in gammastraling schijnen. Dat is opmerkelijk, want het object bevindt zich op zo’n vier miljard lichtjaar van de aarde. Door deze eigenschappen is TXS 0506+056 een uitstekende kandidaat voor het produceren van extreem energetische kosmische straling.

“Het lijkt niet meer dan logisch – het kan natuurlijk niet om een slappe blazar gaan,” zegt Paolo Padovani van het European Southern Observatory. “Als je neutrino’s registreert, moeten ze wel van een superkrachtig monster afkomstig zijn, ander zou je ze helemaal niet waarnemen.”

In de dagen en weken na de gelijktijdige observaties van de IceCube en Fermi haastten meerdere teams zich om de oprispende blazar te bestuderen. Talloze astronomische samenwerkingsverbanden bekeken het object in vrijwel alle golflengten, waaronder radiogolven, zichtbaar licht en röntgen- en gammastraling. Daaruit kwam naar voren dat er in TXS 0506+056 een uitbarsting van gammastraling had plaatsgevonden waarbij ook het neutrino was geproduceerd dat in september door de IceCube was geregistreerd.

“Als Fermi het object niet op heterdaad had betrapt, zou dat voor ons een gewoon neutrino zijn geweest, en voor Fermi een gewone uitbarsting van een verre blazar,” zegt Halzen.

Maar de teams waren nog niet klaar met hun onderzoek.

Doe-het-zelf

Al snel hadden ze Fermi’s eerdere observaties van TXS 0506+056 doorgespit, waarbij ze ontdekten dat hetzelfde object eind 2014 gedurende vijf maanden was uitgebarsten. En toen het IceCube-team bijna tien jaar aan neutrino-gegevens onderzocht, bleek dat negentien hoogenergetische neutrino’s zich precies in die maanden door het Zuidpoolijs hadden geboord.

“We hadden nooit durven dromen dat we zoiets zouden zien – negentien in een periode van 150 dagen, dat is gewoon verbijsterend,” zegt Halzen.

Nu wijzen dus twee onafhankelijk van elkaar uitgevoerde onderzoeken erop dat TXS 0506+056 neutrino’s naar de aarde slingert, wat betekent dat de wetenschappers in elk geval een van de ooit zo mysterieuze bronnen van deze deeltjes hebben gevonden.

Laatste woord?

De ontdekking is “zeer indrukwekkend en een stap op weg naar het identificeren van de oorsprong van kosmische straling – een van de grote onopgeloste puzzels in de astrofysica,” zegt Kathryn Zurek van het Lawrence Berkeley National Laboratory.

Maar zij en anderen zeggen erbij dat de resultaten nog altijd enige ruimte tot discussie toelaten.

“Naar mijn mening wijzen de resultaten duidelijk op een verband, maar is dat verband nog niet honderd procent zeker,” zegt Petropoulou. “Het zou bijvoorbeeld mogelijk kunnen zijn dat andere bronnen in dezelfde regio van de nachthemel hebben bijgedragen aan de uitbarsting van neutrino’s die door IceCube is waargenomen. Hoe het ook zij, deze resultaten brengen ons wel een stap dichterbij het vaststellen van de bronnen van astrofysische neutrino’s.”

Wetenschappers zijn het erover eens dat waarschijnlijk niet alle kosmische straling afkomstig is van blazars, dus wordt er als vanouds gezocht naar andere bronnen van deze hoogenergetische deeltjes.

“Er bestaat daar een hele dierentuin aan astrofysische bronnen die kunnen hebben bijgedragen aan de instroom van neutrino’s in de IceCube,” zegt Petropoulou, “waaronder zeer actieve sterrenstelsels (‘starburst-stelsels’), botsende materie rond supernovae, ‘donkere’ gammaflitsen, radio-sterrenstelsels in het centrum van clusters, en meer.”