De ontdekking van deze grootse prestatie kan meer inzicht geven in de herkomst van de relatief overvloedig waargenomen positronen op aarde.

In 2020 spotten wetenschappers het voor het eerst: een enorme bundel materie en antimaterie in de ruimte, die afkomstig leek te zijn van een pulsar. De volledige lengte van de bundel bleef echter in nevelen gehuld. Simpelweg omdat de astronomen de bundel met behulp van het röntgenobservatorium Chandra niet helemaal in beeld konden krijgen.

Vervolgwaarnemingen
In februari en november 2021 namen de astronomen de bundel nogmaals onder de loep. En die vervolgwaarnemingen stelden ze in staat om deze in zijn geheel waar te nemen en de werkelijke omvang ervan te bepalen. De bundel blijkt een lengte van maar liefst 64 biljoen kilometer te hebben, zo is binnenkort in The Astrophysical Journal te lezen.

Bizar
Een bizarre omvang. Zeker als je bedenkt dat de bundel afkomstig is van een piepklein sterretje. Het gaat om de pulsar PSR J2030+4415, die zich op zo’n 1600 lichtjaar afstand van de aarde bevindt. Een pulsar is een snel ronddraaiende neutronenster met een zeer krachtig magnetisch veld, die meestal – zo ook in het geval van PSR J2030+4415 – een diameter van nauwelijks 16 kilometer heeft. “Het is geweldig dat een pulsar van slechts 16 kilometer breed een structuur kan creëren die zo groot is dat we deze van meer dan 1000 lichtjaar afstand kunnen waarnemen,” aldus onderzoeker Martijn de Vries.

Maar het is niet alleen de opzienbarende omvang van de bundel die de aandacht van de wetenschappers heeft getrokken. De waarnemingen kunnen namelijk ook helpen om het mysterie van de vrij overvloedig voorkomende positronen in de Melkweg te verklaren.

Antideeltjes
Positronen zijn de antideeltjes van de vrij bekende elektronen. Dat betekent dat positronen dezelfde massa hebben als elektronen, maar een tegengestelde lading kennen. Zo is het elektron een negatief geladen deeltje, terwijl het positron positief geladen is. Elk elementair deeltje heeft volgens de natuurkunde zo’n antideeltje. Maar – gelukkig, zie kader – komen elementaire deeltjes overvloediger voor dan antideeltjes.

Als een deeltje met zijn antideeltje botst, annihileren ze elkaar. Dat betekent dat ze elkaar wederzijds vernietigen. Gelukkig is er niet voor elk deeltje een antideeltje, want dan zou er dus niets zijn. Hoewel we dus blij mogen zijn dat er sprake is van een onbalans in het universum (meer deeltjes dan antideeltjes) roept het ook een interessante en tot op heden niet te beantwoorden vraag op. Want aangenomen wordt dat bij de oerknal evenveel antideeltjes als deeltjes zijn ontstaan. En dus breken natuurkundigen zich al jaren het hoofd over de vraag waar alle antimaterie dan gebleven is..

Het leeuwendeel van het universum bestaat dus uit ‘gewone’ materie in plaats van antimaterie. Maar dat neemt niet weg dat onderzoekers in detectoren op aarde toch op relatief grote aantallen positronen (antideeltjes van elektronen) stuiten. En dat roept de vraag op waar deze positronen vandaan komen. Misschien wel van pulsars zoals PSR J2030+4415, zo stellen onderzoekers nu, op basis van hun waarnemingen van de enorme bundel materie en antimaterie die deze pulsar genereert. De snelle rotatie van de pulsar in combinatie met diens krachtige magnetische veld zorgen ervoor dat deze transformeert tot een enorme deeltjesversneller die elektronen en positronen voortbrengt. Normaliter kunnen die deeltjes slecht aan het krachtige magnetische veld van een pulsar ontsnappen. Maar de uiterst lange materie- en antimateriebundel die nu achter PSR J2030+4415 is gespot, onthult dat de deeltjes soms wel aan de greep van een pulsar kunnen ontkomen. En de onderzoekers denken ook te weten hoe dat gebeurt. Ze wijzen erop dat de pulsar met hoge snelheid – ongeveer 1,5 miljoen kilometer per uur – door de ruimte beweegt. Hierdoor ontstaat er voor de pulsar een schokgolf van gas – vergelijkbaar met een boeggolf voor een bewegende boot. Zo’n 20 tot 30 jaar geleden viel die schokgolf echter stil en haalde de pulsar deze in. Daarop ontstond er een botsing tussen het magnetisch veld van de pulsar en het interstellaire magnetische veld. “Dat leidde waarschijnlijk tot een deeltjes-lek,” aldus onderzoeker Roger Romani. “Het magnetisch veld van de pulsar koppelde zich aan het interstellaire magnetische veld en de hoog-energetische elektronen en positronen ontsnapten via de opening die door die connectie in het magnetisch veld van de pulsar ontstond.” Terwijl de deeltjes langs de interstellaire magnetisch veldlijnen bewegen, lichten ze op in röntgenstraling. En zo ontstond dus die lange bundel die röntgenobservatorium Chandra nu heeft gespot.

Dat pulsars positronen genereren, is op zichzelf niet nieuw. Eerder hebben onderzoekers rond pulsars al flinke halo’s gespot, gevuld met onder meer positronen. Die halo’s suggereerden echter dat de positronen veel moeite hadden om aan de greep van de pulsar te ontkomen. PSR J2030+4415 wijst nu uit dat de deeltjes toch in de interstellaire ruimte kunnen ontsnappen en uiteindelijk zo dus ook de aarde kunnen bereiken.