Van zichtbaar licht tot radiogolven, ons Melkwegstelsel kan op verschillende manieren worden waargenomen. Op een nieuw beeld zien we ons sterrenstelsel door een heel andere bril: neutrino’s.
Het heelal zit vol met zo goed als ongrijpbare neutrino’s. Deze ongeladen subatomaire elementaire deeltjes hebben nauwelijks interactie met andere materie. Om deze reden worden ze ook wel ‘spookdeeltjes’ genoemd. Het feit dat het heelal er vol mee zit, bracht wetenschappers van de IceCube Neutrino Observatory – dat op neutrino’s of ‘spookdeeltjes’ jaagt – op een ambitieus idee. Want in een nieuwe studie hebben ze voor het eerst een beeld van de Melkweg gemaakt met behulp van neutrino’s.
We weten dat neutrino’s in grote hoeveelheden voorkomen en normaal gesproken onopgemerkt door de aarde gaan. Sterker nog, op dit moment reizen ze met miljarden door jouw lichaam, zonder dat je daar iets van merkt. Dat komt omdat het fundamentele deeltjes zijn, maar zich zo goed als niets van andere deeltjes aantrekken. De vreemde deeltjes werden in 1956 voor het eerst waargenomen. Ondertussen weten we dat de raadselachtige neutrino het meest voorkomende deeltje in de kosmos is en een belangrijke rol speelt in het proces dat sterren laat schitteren. Voor zover we nu weten, zijn deze neutrino’s er in drie ‘smaakjes’: je hebt muon-, elektron- en tau-neutrino’s. Bekend is dat neutrino’s terwijl ze reizen in een ander smaakje kunnen veranderen. Zo werd in 2013 voor het eerst aangetoond dat een muon-neutrino in een elektron-neutrino veranderde.
Van zichtbaar licht tot radiogolven, het Melkwegstelsel kan op tal van manieren worden gadegeslagen door de verschillende frequenties van elektromagnetische straling die het uitzendt. Maar nu gaan wetenschappers nog een stapje verder. Voor het eerst hebben ze namelijk een volledig uniek beeld van ons sterrenstelsel gemaakt. En wel door de galactische oorsprong van duizenden neutrino’s te bepalen. Het op neutrino’s gebaseerde beeld van de Melkweg is het eerste in zijn soort: een galactisch portret gemaakt met deeltjes materie in plaats van elektromagnetische energie.
Het beeld
Hieronder is het nieuwe beeld van de Melkweg te bewonderen. Op de bovenste afbeelding pronkt de Melkweg zoals je ‘m waarschijnlijk wel vaker hebt gezien, in zichtbaar licht. De onderste is de eerste ooit vastgelegd met neutrino’s. “Ik herinner me dat ik zei: op dit punt in de menselijke geschiedenis zijn wij de eersten die ons sterrenstelsel in iets anders dan licht zien,” aldus natuurkundige Naoko Kurahashi Neilson.
Detector
De hoogenergetische neutrino’s – denk aan energieën die miljoenen tot miljarden keren hoger zijn dan die geproduceerd door de fusiereacties die sterren aandrijven – werden gedetecteerd door het IceCube Neutrino Observatory, een neutrinodetector op de zuidpool, nabij het Zuidpoolstation Amundsen-Scott. Het immense observatorium detecteert de subtiele tekenen van hoogenergetische neutrino’s met behulp van duizenden sensoren die diep in een kubieke kilometer helder, ongerept ijs zijn begraven. IceCube zoekt naar tekenen van hoogenergetische neutrino’s afkomstig uit ons sterrenstelsel en daarbuiten, tot in de verste uithoeken van het universum.
Nieuwe kijk op ons sterrenstelsel
Dankzij deze detector hebben onderzoekers nu een heel nieuw beeld van het sterrenstelsel waarin wij wonen geschetst. “Zoals zo vaak worden belangrijke doorbraken in de wetenschap mogelijk gemaakt door technologische vooruitgang,” zegt Denise Caldwell, directeur van de Physics Division van de National Science Foundation. “De zeer gevoelige IceCube-detector, in combinatie met nieuwe tools om gegevens te analyseren, hebben ons nu een geheel nieuwe kijk op ons sterrenstelsel gegeven. In de toekomst zal dit beeld verder worden verfijnd en verbeterd in hogere resolutie. Hierdoor worden mogelijk verborgen kenmerken van ons sterrenstelsel onthuld die nog nooit eerder door de mensheid zijn gezien.”
Lokaliseren
Naast het al indrukwekkende vermogen van wetenschappers om ongrijpbare spookdeeltjes te detecteren, zijn ze ook nog eens in het nog ambitieuzere doel om te bepalen waar ze vandaan komen, geslaagd. Wanneer neutrino’s toevallig interageren met het ijs onder IceCube, produceren die zeldzame ontmoetingen vage lichtpatronen, die IceCube kan detecteren. En sommige lichtpatronen wijzen duidelijk naar een bepaald deel van de hemel, waardoor onderzoekers de bron van de neutrino’s kunnen bepalen. Andere interacties zijn echter een stuk minder duidelijk. En daarom ontwikkelden de onderzoekers een machine-learning algoritme. Het kostte hen meer dan twee jaar om het algoritme zorgvuldig te testen en te verifiëren met behulp van kunstmatige gegevens die neutrinodetecties simuleren. Toen ze uiteindelijk de echte door IceCube verstrekte gegevens aan het algoritme voerden, kwam er een beeld tevoorschijn met heldere vlekken die overeenkomen met locaties in de Melkweg waarvan wordt vermoed dat ze neutrino’s uitzenden.
Gedurende vele decennia hebben wetenschappers talloze astronomische ontdekkingen gedaan, dankzij nieuwe methoden om het universum te observeren. Zo waren radioastronomie en infraroodastronomie ooit ook revolutionaire ontwikkelingen. Deze werden vervolgens vergezeld door nieuwe fenomenen, zoals zwaartekrachtsgolven en nu neutrino’s. Volgens Neilson is het op neutrino’s gebaseerde nieuwe beeld van de Melkweg weer een belangrijke, baanbrekende stap voorwaarts, die uiteindelijk zal leiden tot nieuwe ontdekkingen van nog onbekende aspecten van het universum. “Het is een enorme stap om ons eigen sterrenstelsel voor het eerst te observeren met behulp van deeltjes in plaats van licht,” zegt ze. “Naarmate de neutrino-astronomie evolueert, zullen we het universum door een nieuwe bril kunnen observeren. Daarom doen we wat we doen: om iets te zien dat niemand ooit heeft gezien, en om dingen te begrijpen die we tot nu toe nog niet hebben begrepen.”
