Kosmische ‘vuurballen’ schijnen licht op mysterie van de verdwenen gammastraling

Oxford-wetenschappers hebben ‘mini-vuurballen’ gemaakt in de deeltjesversneller van CERN onder de grond in Zwitserland. Ze lijken op een afgeleide van de gigantische plasmastralen die uit de polen van superzware zwarte gaten spuiten.

Ze deden dit om een belangrijk kosmisch mysterie te ontrafelen: hoe zit het met de gammastralen die we niet oppikken, maar wel zouden moeten zien?

Blazars zijn hyperactieve sterrenstelsels met een superzwaar zwart gat in het midden. Zij schieten superhete, razendsnelle stralen plasma (jets) en straling onze kant op. Het zijn een soort kosmische laserpointers. Telescopen op Aarde pikken de extreem energierijke gammastralen daarvan op, die tot meerdere tera-elektronvolts (biljoenen elektrovolts) kunnen oplopen. Maar onderweg door de ruimte zouden die stralen botsingen moeten veroorzaken waaruit nieuwe gammastralen ontstaan met een duizend keer lagere energie. Er is alleen één probleem: die zijn tot op heden nergens te vinden.

Op zoek naar de juiste verklaring

Er zijn verschillende theorieën die verklaren waarom we deze gammastralen niet oppikken. Het zou kunnen dat de stralen worden afgebogen door superzwakke magnetische velden tussen sterrenstelsels, waardoor wij ze missen. Andere onderzoekers denken dat de straal onderweg instabiel wordt en uit elkaar valt doordat hij botst met ruimteplasma in de ijle lucht van het heelal.

Om optie twee te testen bouwde een internationaal team, aangevoerd door de University of Oxford, een miniversie van zo’n kosmische straal bij CERN in Genève. Met de Super Proton Synchrotron wekten ze vuurballen op bestaande uit elektronen en positronen, die ze door plasma lieten schieten net zoals in de ruimte gebeurt. Zo keken ze of de straal vanzelf instabiel werd en of superzwakke magnetische velden ontstaan.

Simulatie van een aanvankelijk uniforme bundel elektronen en positronen die interageren met een plasma. Terwijl de bundel door het achtergrondplasma reist, worden de positronen (rood) gefocust, terwijl de elektronen (blauw) zich verspreiden en een omringende wolk vormen. Afbeelding: Pablo J. Bilbao & Luís O. Silva (GoLP, Instituto Superior Tecnico, Lissabon & Universiteit van Oxford).

Verrassend stabiel

Na al het ondergrondse subatomaire geweld kon de balans worden opgemaakt. Er was geen twijfel over mogelijk, de straal bleef strak en stabiel. Geen instortende plasmajet, geen noemenswaardige opbouw van magnetische velden. Dit betekent dat de instabiele straaltheorie waarschijnlijk niet klopt.

Het mysterie van de ontbrekende gammastralen wijst nu des te sterker naar onzichtbare magnetische velden in de ruimte. Dit zouden oeroude overblijfselen zijn van wat er zich in de eerste momenten na de oerknal allemaal afspeelde. “Onze studie laat zien hoe labexperimenten de kloof kunnen dichten tussen theorie en waarneming. Dit alles maakt eens te meer duidelijk hoe belangrijk internationale samenwerking is om steeds extremere natuurkundige omstandigheden te onderzoeken”, zegt onderzoeksleider Gianluca Gregori.

Kosmisch kompas

Als deze oermagnetische velden echt bestaan, dan vertellen ze iets diep fundamenteels over hoe het vroege heelal eruitzag en hoe structuur in het universum is ontstaan. Het zou zelfs kunnen wijzen op nieuwe natuurkunde die verder gaat dan het Standaardmodel, dat stelt dat alleen met quarks en leptonen en wat deeltjes die de onderlinge krachten beschrijven, alle andere opgebouwd kunnen worden. “Door relativistische plasmacondities in het lab na te bootsen, kunnen we processen meten die kosmische jets vormen en beter begrijpen hoe magnetische velden in de ruimte zijn ontstaan”, vertelt onderzoeker Bob Bingham.

Nog lang niet klaar

Maar uiteindelijk roept dit experiment minstens zoveel vragen op als het beantwoordt. Hoe ontstond zo’n magnetisch veld in het piepjonge heelal? En hoe sterk is het precies? Waarschijnlijk weten we binnenkort meer, want er komen nieuwe en scherpere metingen aan, onder meer met de Cherenkov Telescope Array die in de pijpleiding zit. Die is in staat om nog gevoeligere gammastraling te meten.

“Het was geweldig om aan zo’n vernieuwend experiment mee te werken. Ik hoop dat onze resultaten brede interesse opwekken in ons vakgebied, maar ook erbuiten. Het laat zien dat fundamentele kosmische vragen in een aardse ‘high-energy-fysica-opstelling’ onderzocht kunnen worden”, besluit onderzoeker Subir Sarkar.

Uitgelezen? Luister ook eens naar de Scientias Podcast: