Wetenschappers hebben het deeltje in de woestijn van Utah gedetecteerd en geloofden in eerste instantie hun ogen niet. Het deeltje heeft namelijk een ongekend hoge energie van wel 244 EeV. Wat het precies voor deeltje is en waar het vandaan komt, is voorlopig nog een mysterie.
Onderzoekers detecteerden het mysterieuze deeltje in mei 2021, met behulp van het Telescope Array, dat bestaat uit meer dan 500 detectoren die gelokaliseerd zijn in de woestijn van Utah. Deze detectors zijn specifiek ontworpen om hoog-energetische kosmische straling (zie kader) op te vangen. En in mei 2021 was het dus raak. Toen detecteerden onderzoekers met behulp van het Telescope Array een hoog-energetisch deeltje met een energie van 244 EeV, zo melden ze nu in het blad Science.
Foutje
“Toen ik deze ultra-hoog-energetische kosmische straling voor het eerst ontdekte, dacht ik dat er een fout was gemaakt,” vertelt onderzoeker Toshihiro Fujii. “Want zo’n hoog energieniveau hebben we in de laatste drie decennia niet meer gezien.”
Kosmische straling is een verzamelnaam voor hoog-energetische deeltjes die hun oorsprong vinden in het heelal. Hoewel ze allemaal hoog-energetisch zijn, loopt hun energie sterk uiteen. Zo zijn er bijvoorbeeld hoog-energetische deeltjes met een relatief lage energie, die veelal geproduceerd worden door sterren zoals onze zon. Maar daarnaast zijn er ook deeltjes met een veel hogere energie; tientallen miljoenen keer hoger dan wat we in de krachtigste, door mensen gebouwde, deeltjesversnellers op aarde kunnen maken. Die ultra-hoog-energetische deeltjes zijn echter een stuk zeldzamer dan de deeltjes met een relatief lage energie (zoals bijvoorbeeld onze zon die produceert). Wetenschappers moeten er dan ook behoorlijk moeite voor doen om deze te kunnen detecteren. En in de woestijn van Utah proberen ze dat dus met het Telescope Array. Dit kosmische stralingsobservatorium bestaat uit 507 detectoren die over een 700 vierkante kilometer groot gebied zijn verspreid. Deze detectoren detecteren niet de ultra-hoog-energetische deeltjes zelf, maar eerder de nasleep ervan. In het bovenste deel van de atmosfeer botsen de ultra-hoog-energetische deeltjes namelijk op andere deeltjes, waardoor meer dan duizend ‘secundaire’ deeltjes ontstaan. Die deeltjes herbergen nog steeds veel energie en botsen daarmee weer op andere deeltjes. Dat proces blijft zich herhalen, waardoor uiteindelijk wel miljarden nieuwe deeltjes kunnen ontstaan die (met een beetje geluk) door de detectoren in Utah worden opgemerkt. Die detectoren zijn uitgerust met instrumenten die het mogelijk maken om na detectie van deze secundaire deeltjes de koers en energie van het oorspronkelijke ultra-hoog-energetische deeltje te achterhalen.
Eerdere ontdekkingen
Dat het Telescope Array werkt, staat vast. In de afgelopen jaren hebben onderzoekers met behulp van deze detectoren al meer dan 30 ultra-hoog-energetische deeltjes ontdekt. Toch is de detectie van het deeltje dat Fujii en collega’s nu in het blad Science presenteren, bijzonder. Het heeft namelijk een veel hogere energie dan de deeltjes die eerder met het Telescope Array zijn ontdekt.
Oh-My-God-deeltje
Sterker nog: het deeltje doet wetenschappers sterk denken aan het meest hoog-energetische deeltje dat ooit is gedetecteerd, het zogenoemde Oh-My-God-deeltje. Dat deeltje werd in 1991 gedetecteerd en had een geschatte energie van 320 EeV. Decennialang werden er vervolgens geen deeltjes gedetecteerd die qua energie bij dit deeltje in de buurt komen. Tot nu. Want het deeltje dat Fujii en collega’s in mei 2021 hebben gedetecteerd, is niet – zoals Fujii eerst dacht – een foutje: het bestaat echt en kan qua energie bijna wedijveren met het Oh-My-God-deeltje.
Amaterasu
Voor nu hebben de wetenschappers het nieuwe hoog-energetische deeltje de naam Amaterasu gegeven. Daarmee is het vernoemd naar de zonnegodin uit het shintoïsme (de oorspronkelijke religie van Japan). Het deeltje – of nauwkeuriger gezegd de nasleep ervan – is door 23 detectoren in de woestijn van Utah opgemerkt. Het deeltje lijkt uit de richting te komen van de Local Void: een ‘leeg’ stukje ruimte dat grenst aan de Melkweg.
Mysterie
Waar het deeltje precies zijn oorsprong vindt, blijft echter – net als in het geval van het Oh-My-God-deeltje – een raadsel, zo vertelt onderzoeker John Matthews. “De deeltjes hebben zoveel energie dat ze niet beïnvloed zouden moeten worden door galactische en extra-galactische magnetische velden.” Dat betekent in feite dat hun koers dus ook niet door die magnetische velden wordt aangetast en ze min of meer in een rechte lijn door het heelal reizen. “Je zou dus een punt in de ruimte aan moeten kunnen wijzen waar ze hun oorsprong vinden. Maar in het geval van het Oh-My-God-deeltje en dit nieuwe deeltje kun je uit hun koers wel afleiden waar ze vandaan komen, maar op die plek is niets wat voldoende energie herbergt om zo’n ultra-hoog-energetisch deeltje te kunnen produceren. Dat is het mysterieuze hieraan.”
Meer onderzoek
Om het mysterie op te kunnen lossen, is meer onderzoek en data nodig, zo vertelt Fujii aan Scientias.nl. “We moeten veel meer van dit soort energetische deeltjes detecteren.” Gehoopt wordt dat het upgraden van het Telescope Array – waardoor de gevoeligheid van de detectoren toeneemt – daarbij kan helpen.
In afwachting van meer data kunnen wetenschappers alleen maar gissen naar de oorsprong van het Amaterasu-deeltje. “Bij een hoge energie denken mensen vaak aan dingen als een supernova. Maar een supernova is bij lange na niet energetisch genoeg om zoiets voort te brengen,” vertelt Matthews. “Je moet echt enorme hoeveelheden energie hebben en sterke magnetische velden om het deeltje enige tijd vast te houden terwijl het versneld wordt.” In de regio waar het Amaterasu-deeltje vandaan lijkt te komen, kunnen onderzoekers zo’n object of fenomeen niet vinden. Wat natuurlijk direct de vraag oproept of de koers van dit deeltje dan misschien toch door magnetische velden die deze onderweg is tegengekomen verstoord is en het deeltje in werkelijkheid dus uit een heel ander stukje heelal komt dan we nu denken. Het is niet aannemelijk, zo vertelt onderzoeker John Belz. “Misschien zijn magnetische velden inderdaad sterker dan we dachten, maar dat is niet in lijn met andere observaties die laten zien dat ze niet sterk genoeg zijn om de koers van minder energetische deeltjes af te buigen. Het is een echt mysterie.”
En daarmee zitten we nu als het om ultra-hoog-energetische deeltjes gaat met twee mysteries in de maag. Want de oorsprong van het Oh-My-God-deeltje is ook nog in nevelen gehuld, zo stelt Belz. “Deze deeltjes lijken afkomstig van compleet verschillende plekken in het heelal. Het is dus niet zo dat er één mysterieuze bron is. Het kan het resultaat zijn van een afwijking in de ruimtetijd, botsende kosmische snaren. Het zijn zomaar wat gekke ideeën die mensen nu bedenken omdat er geen conventionele verklaring voor is.”
