Astronomen hebben voor het eerst een hoogenergetisch neutrino getraceerd naar zijn kosmische bron en daarbij een eeuwenoud mysterie opgelost.

Neutrino’s zijn bijna massaloze subatomaire deeltjes die geen elektrische lading hebben en daarom slechts zelden met hun omgeving interageren. Inderdaad stromen triljoenen van deze “spookdeeltjes” elke seconde ongemerkt en ongehinderd door uw lichaam.

De meeste van deze neutrino’s zijn afkomstig van de zon. Maar een klein percentage, met extreem hoge energieën, is vanuit de zeer diepe ruimte naar onze contreien geraasd. De inherente ongrijpbaarheid van neutrino’s heeft astronomen ervan weerhouden de oorsprong van deze kosmische zwervers vast te stellen – tot nu toe.

Observaties door het IceCube Neutrino Observatorium op de Zuidpool en een groot aantal andere instrumenten stelden onderzoekers in staat om één kosmische neutrino te traceren naar een verre blazar, een enorm elliptisch sterrenstelsel met een snel ronddraaiend superzwaar zwart gat in zijn hart.

En er is meer. Kosmische neutrino’s gaan hand in hand met kosmische straling, hoogenergetische geladen deeltjes die voortdurend op onze planeet inslaan. De nieuwe vondst wijst er dus op dat blazars ook versnellers zijn van tenminste enkele van de snelst bewegende kosmische stralen.

Astronomen vragen zich dit al af sinds kosmische stralen voor het eerst werden ontdekt, ver terug in 1912. Maar ze werden gedwarsboomd door de geladen aard van de deeltjes, waardoor kosmische stralen door verschillende objecten heen en weer worden geslingerd terwijl ze door de ruimte zoemen. Het succes kwam uiteindelijk door gebruik te maken van de rechtlijnige reis van een medereizend spookdeeltje.

“We zijn al meer dan een eeuw op zoek naar de bronnen van kosmische straling, en we hebben er eindelijk een gevonden,” vertelde Francis Halzen, hoofdwetenschapper bij het IceCube Neutrino Observatorium en een professor in de natuurkunde aan de Universiteit van Wisconsin-Madison, aan Space.com.

Een teamprestatie

IceCube, dat wordt beheerd door de Amerikaanse National Science Foundation (NSF), is een toegewijde neutrinojager. De installatie bestaat uit 86 kabels, die zich nestelen in boorgaten die zich ongeveer 2,5 kilometer in het ijs van Antarctica uitstrekken. Elke kabel bevat op zijn beurt 60 “digitale optische modules” ter grootte van een basketbal, die zijn uitgerust met gevoelige lichtdetectoren.

Deze detectoren zijn ontworpen om het karakteristieke blauwe licht op te vangen dat wordt uitgezonden na de interactie van een neutrino met een atoomkern. (Dit licht wordt uitgezonden door een secundair deeltje dat bij de wisselwerking ontstaat. En voor het geval je het je afvraagt: Al dat ijs voorkomt dat andere deeltjes dan neutrino’s de detectoren bereiken en de gegevens vervuilen.) Dit zijn zeldzame gebeurtenissen; IceCube spoort slechts een paar honderd neutrino’s per jaar op, aldus Halzen.

De faciliteit heeft al grote bijdragen geleverd aan de astronomie. In 2013 bijvoorbeeld, heeft IceCube voor het eerst neutrino’s van buiten het Melkwegstelsel waargenomen. Onderzoekers waren toen niet in staat om de bron van die hoogenergetische spookdeeltjes vast te pinnen.

Op 22 sept. 2017 pikte IceCube echter nog een kosmisch neutrino op. Het was extreem energetisch en bevatte ongeveer 300 teraelectronvolt – bijna 50 keer meer dan de energie van de protonen die door de krachtigste deeltjesversneller van de aarde, de Large Hadron Collider, fietsen.

Binnen 1 minuut na de detectie stuurde de faciliteit een automatische melding uit, waarbij andere astronomen op de vondst werden geattendeerd en coördinaten werden doorgegeven aan het stukje hemel dat de bron van het deeltje leek te herbergen.

De gemeenschap reageerde: Bijna 20 telescopen op de grond en in de ruimte doorzochten die plek in het hele elektromagnetische spectrum, van laag-energetische radiogolven tot hoog-energetische gammastralen. De gecombineerde waarnemingen traceerden de oorsprong van de neutrino’s naar een reeds bekende blazar genaamd TXS 0506+056, die ongeveer 4 miljard lichtjaar van de aarde ligt.

Zo onthulden vervolgwaarnemingen door verschillende instrumenten – waaronder NASA’s Fermi Gamma-ray Space Telescope in een baan om de aarde en de Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov Telescope (MAGIC) op de Canarische Eilanden – een krachtige uitbarsting van gammastraal licht dat van TXS 0506+056 afstraalde.

Het IceCube-team heeft ook zijn archiefgegevens doorgenomen en meer dan een dozijn andere kosmische neutrino’s gevonden die van dezelfde blazar afkomstig leken te zijn. Deze extra deeltjes werden opgepikt door de detectoren van eind 2014 tot begin 2015.

“Alle stukjes passen in elkaar,” zei Albrecht Karle, een senior IceCube-wetenschapper en UW-Madison natuurkundeprofessor, in een verklaring. “De neutrino-fakkel in onze archiefgegevens werd een onafhankelijke bevestiging. Samen met waarnemingen van de andere observatoria is het overtuigend bewijs dat deze blazar een bron is van extreem energetische neutrino’s, en dus van hoog-energetische kosmische straling.”

De bevindingen worden gerapporteerd in twee nieuwe studies die vandaag (12 juli) online zijn gepubliceerd in het tijdschrift Science. U kunt ze hier en hier vinden.

Multimessenger astrophysics on the rise

Blazars zijn een speciaal soort superlichtgevende actieve sterrenstelsels die twee stralen van licht en deeltjes uitstoten, waarvan er een rechtstreeks op de aarde is gericht. (Dat is deels de reden waarom blazars zo helder op ons overkomen – omdat we in de vuurlinie van de straal staan.)

Astronomen hebben enkele duizenden blazars in het heelal geïdentificeerd, waarvan nog geen enkele neutrino’s naar ons heeft geslingerd zoals TXS 0506+056 dat doet.

“Er is iets speciaals aan deze bron, en we moeten uitzoeken wat dat is,” vertelde Halzen aan Space.com.

Dat is slechts een van de vele vragen die de nieuwe resultaten oproepen. Halzen zou bijvoorbeeld ook graag het versnellingsmechanisme willen weten: hoe krijgen blazars neutrino’s en kosmische stralen precies tot zulke enorme snelheden?

Halzen toonde zich optimistisch over het beantwoorden van dergelijke vragen in de relatief nabije toekomst, verwijzend naar de kracht van “multimessenger astrofysica” – het gebruik van ten minste twee verschillende soorten signalen om de kosmos te ondervragen – die in de twee nieuwe studies wordt tentoongespreid.

De neutrino-ontdekking volgt nauw op de hielen van een andere multimessenger landmark: In oktober 2017 kondigden onderzoekers aan dat ze een botsing tussen twee superdichte neutronensterren hadden geanalyseerd door zowel de elektromagnetische straling als de zwaartekrachtsgolven te observeren die tijdens de dramatische gebeurtenis werden uitgezonden.

“Het tijdperk van multimessenger astrofysica is hier,” NSF-directeur France Cordova zei in dezelfde verklaring. “Elke boodschapper – van elektromagnetische straling, zwaartekrachtgolven en nu neutrino’s – geeft ons een completer begrip van het universum en belangrijke nieuwe inzichten in de krachtigste objecten en gebeurtenissen aan de hemel.”

Volg Mike Wall op Twitter @michaeldwall en Google+. Volg ons @Spacedotcom, Facebook of Google+. Oorspronkelijk gepubliceerd op Space.com.