Een reeks telescopen in Namibië heeft de oorsprong bepaald van enkele van de meest energetische deeltjes die de Melkweg kan produceren. De waarnemingen wijzen op een plek waar materiedeeltjes uitgespuwd door een zwart gat in een gebied dat bekend staat als de Lamantijnnevel, worden versneld tot bijna de lichtsnelheid.

De bevindingen, gepubliceerd op 25 januari in Wetenschap¹ door onderzoekers van het Excessive Vitality Stereoscopic System (HESS), zijn een stap voorwaarts in de eeuwenoude zoektocht naar het begrijpen van de oorsprong van kosmische straling: snel bewegende atoomkernen en andere deeltjes die voortdurend de bovenste atmosfeer van de aarde raken.

“Voor mensen zoals ik die astrofysische jets willen modelleren, inclusief hun interne samenstelling, voortplanting en evolutie”, is de informatie geproduceerd door HESS “ongelooflijk”, zegt Sera Markoff, een theoretisch astrofysicus aan de Universiteit van Amsterdam.

Regen uit de ruimte

Kosmische straling kan een breed scala aan energieën hebben. De meest voorkomende kosmische straling met de laagste energie bestaat uit deeltjes van de zonnewind die in de atmosfeer van de aarde neerdalen nadat ze in het magnetische veld van de planeet spiraalvormig zijn geweest. Er wordt gedacht dat kosmische straling met veel hogere energieën wordt geproduceerd door supernova’s, de explosieve dood van massieve sterren. En nog energiekere kosmische straling vindt zijn oorsprong buiten de Melkweg, in het bijzonder van quasars – superzware zwarte gaten die plasmastralen produceren die zich met bijna de lichtsnelheid voortbewegen. Deze jets kunnen energieën hebben die tot acht ordes van grootte hoger zijn dan die geproduceerd in deeltjesversnellers.

Hoogenergetische kosmische straling komt van buiten onze Melkweg

Astrofysici hebben voorgesteld dat plasmastralen uit zwarte gaten die kleiner zijn dan quasars – maar nog steeds meerdere keren zo zwaar als de zon – ook zouden kunnen bijdragen aan de populatie kosmische straling. De energieën die worden geproduceerd door deze ‘microquasars’, die ook heldere bronnen van röntgenstraling en radiogolven zijn, zouden een bereik kunnen bereiken dat ligt tussen die van supernova’s en die van quasars.

In de laatste studie bestudeerden astrofysicus Laura Olivera-Nieto van het Max Planck Instituut voor Kernfysica in Heidelberg, Duitsland, en haar medewerkers een microquasar genaamd SS 433. Het zwarte gat ligt in het sterrenbeeld Aquila op ongeveer 18.000 lichtjaar (5,5 kiloparsec). uit het zonnestelsel, en vormt samen met een grote ster een binair systeem. Materie die door de ster wordt uitgestoten, wervelt rond het zwarte gat en spiraalt er vervolgens in, waardoor zeer energetische jets ontstaan.

Het dubbelstersysteem is omgeven door een nevel die vanwege zijn langwerpige vorm de bijnaam Lamantijn wordt genoemd. De nevel is een omhulsel van stof en gasoline dat overblijft na een supernova tussen 10.000 en 100.000 jaar geleden, waarbij de kern van een exploderende ster instortte en het zwarte gat vormde. De uitstroom van materie uit de supernova zou zelf duizenden jaren na de gebeurtenis kosmische straling hebben geproduceerd, een activiteit die al lang geleden is afgenomen. Maar ergens tussen de 10.000 en 30.000 jaar geleden lichtte het systeem opnieuw op, toen het zwarte gat zijn jets vormde. De onderzoekers denken dat het toen weer kosmische straling begon te produceren.

Kosmische aanwijzingen

Alle kosmische stralingsdeeltjes afkomstig van een microquasar zouden in spiralen door de Melkweg bewegen voordat ze de aarde bereiken, waarbij hun trajecten worden afgebogen door magnetische velden. Dit maakt het onmogelijk om hun paden terug te leiden naar een specifieke bron. In plaats daarvan zoeken astrofysici die naar de mogelijke oorsprong van kosmische straling zoeken naar γ-stralingsfotonen, die zouden moeten worden geproduceerd in dezelfde processen die kosmische stralingsdeeltjes versnellen, maar die in rechte lijnen naar de aarde reizen.

Astronomen observeerden voor het eerst γ-straling van SS 433 in 2018 vanuit het Excessive Altitude Water Cherenkov (HAWC) observatorium in het Mexicaanse Pico de Orizaba Nationwide Park². Maar in tegenstelling tot het workforce van HESS konden ze de exacte bron niet nauwkeurig lokaliseren.

Zowel HAWC als HESS detecteren γ-straalfotonen oblique, maar ze gebruiken verschillende benaderingen. Wanneer een γ-straal botst met een atoomkern in de bovenste atmosfeer, produceert deze een regen van secundaire deeltjes, waaronder elektronen en hun zwaardere broers en zussen, muonen. HAWC heeft met water gevulde tanks die deze deeltjes opvangen zodra ze de grond bereiken, terwijl HESS werkt door lichtflitsen in beeld te brengen die de deeltjes produceren terwijl ze door de atmosfeer bewegen. De vijf schotels van HESS kunnen in een specifieke richting in de lucht worden gericht.

Het Chinese language bergobservatorium begint met de jacht op de oorsprong van kosmische straling

Hierdoor kon HESS nauwkeurig lokaliseren waar in de Lamantijnnevel de γ-stralen werden geproduceerd, en zich concentreren op het onderscheiden van die met bepaalde energieën. Meer dan 200 uur aan waarnemingen, gedaan over een periode van drie jaar, laten zien dat de emissie van γ-straling ongeveer halverwege tussen het zwarte gat en het supernova-overblijfsel begint, en langzaam verdwijnt. ‘De fotonen met de hoogste energie komen alleen van dichter bij het zwarte gat’, zegt Olivera-Nieto. “Dit was echt de cruciale ontdekking.”

Dit suggereert dat de γ-straling – en impliciet kosmische straling – wordt geproduceerd door interne mechanismen van de jets, en niet door botsingen met andere materie, legt Olivera-Nieto uit. De ruimte rondom het zwarte gat is verder leeg, schoongeveegd door de uitdijende schokgolf van de supernova.

De bevinding “versterkt het argument dat röntgendubbelsterren kleinere analogen zijn van superzware zwarte gaten, en evengoed in staat zijn om kosmische straling te versnellen”, zegt Markoff, die de data-analyse van Olivera-Nieto prijst. “Haar techniek maakte het gebruik van meer gegevens mogelijk en versterkte de gevoeligheid voldoende om dit fantastische onderzoek uit te voeren, en vormt zo de weg vrij voor nog veel meer van dit soort werk.”