Ze zijn overal om ons heen en toch volstrekt ongrijpbaar: neutrino’s. Alleen al door je duim vliegen elke seconde zo’n honderd miljard van deze spookdeeltjes. Wetenschapsjournalist Dorine Schenk schreef erover in het nieuwste boek in de Pocket Science-reeks van New Scientist. Een voorpublicatie.
Op 22 september 2017 botst een piepklein kosmisch deeltje met een noodvaart op een atoom diep in het zuidpoolijs. Dat veroorzaakt een spoor van licht, dat opgevangen wordt door enkele van de vijfduizend bolvormige lichtdetectoren verspreid over ongeveer een kubieke kilometer ijs, onder het besneeuwde oppervlak. Onmiddellijk wordt er een melding gestuurd naar telescopen wereldwijd, met het verzoek hun blik te richten op het stukje aan de hemel waar het deeltje vandaan lijkt te komen.
Het is raak. Dankzij een aantal telescopen wordt de mogelijke bron van het deeltje gevonden: TXS 0506+056. Dat is een actief sterrenstelsel met in het centrum een superzwaar zwart gat (een zogeheten blazar) waarin omringende materie verdwijnt, als water dat kolkend in een afvoerputje stroomt. Dit gebeurt met zoveel geweld dat een deel van de materie in twee smalle bundels het heelal in wordt gespoten.
Toeval speelde een grote rol bij veel spectaculaire kosmische ontdekkingen
Het heelal zit vol verrassingen. We moeten toevallige ontdekkingen in de wetenschap omarmen, zegt astrofysicus Chris Lintott.
Het gedetecteerde deeltje, dat uit deze blazar spoot en met het zuidpoolijs botste, is een neutrino. Neutrino’s zijn superlicht en zoeven ongemerkt bijna overal doorheen. Ze zijn overal om ons heen, in groten getale. Alleen al door je duim vliegen elke seconde honderd miljard neutrino’s. Zonder dat je het merkt. Ze trekken zich namelijk nauwelijks iets aan van andere materiedeeltjes.
Deze spookdeeltjes ontstaan op verschillende manieren. Ze komen vrij bij kernreacties in de zon en in kernreactoren op aarde. Maar ook bij spectaculaire gebeurtenissen in het heelal, zoals blazar TXS 0506+056 of wanneer een ster aan het eind van zijn leven in een supernova-explosie uit elkaar spat.
Sinds 2010 zoekt de hierboven beschreven enorme neutrinodetector IceCube op de Zuidpool naar de energierijke neutrino’s die ontstaan bij die spectaculaire gebeurtenissen. Als je het pad van die kosmische neutrino’s zou kunnen terug volgen, dan kom je uit bij de astronomische bronnen die ze produceren. Deze neutrino’s zouden vervolgens kunnen dienen als boodschappers die je informatie verschaffen over de extreme processen die plaatsvinden in de krachtige bronnen.
Kosmische straling
Sinds het begin van de 20e eeuw meten wetenschappers op aarde kosmische straling. Die straling bestaat uit geladen deeltjes die met een hoge energie vanuit het heelal op ons af komen. Dit zijn meestal protonen, een van de meest voorkomende deeltjes in het heelal. Uit waarnemingen blijkt dat de energie van die protonen kan oplopen tot honderden triljoenen elektronvolt. Dat is tien miljoen keer meer dan de energie van protonen die in de LHC, ‘s werelds krachtigste deeltjesversneller versneld worden.
Waardoor die kosmische deeltjes zo hard versnellen, weten astrofysici niet precies. De deeltjes waaruit de meeste kosmische straling bestaat, hebben namelijk elektrische lading. Daarom worden ze afgebogen door magneetvelden in de ruimte. Dat zorgt ervoor dat kosmische straling door het heelal slingert en het onmogelijk is op grond van de richting waaruit ze aankomen op aarde hun bron te achterhalen.
Er zijn wel een paar ‘verdachten’, bijvoorbeeld blazars, zoals TXS 0506+056. In de bundels die blazars het heelal in spuwen zouden protonen tot enorme energieën versneld kunnen worden.
Een deel van de energierijke protonen die bij zulke gebeurtenissen ontstaan schiet het heelal in. Af en toe botst er een op een molecuul in de aardatmosfeer. Dat proton wordt gedetecteerd als kosmische straling. Andere versnelde protonen komen niet zo ver. Ze botsen bijvoorbeeld in de bundel van een blazar op andere deeltjes. Bij die botsingen ontstaan nieuwe deeltjes, zoals pionen. Die vervallen vervolgens naar onder meer gammastraling (energierijke lichtdeeltjes) en neutrino’s.
Die neutrino’s zijn, in tegenstelling tot protonen, wel de ideale kosmische boodschappers voor astrofysici die zoeken naar exotische deeltjesversnellers. Neutrino’s hebben geen lading en worden dus niet afgebogen door magneetvelden in het heelal. Ook stofwolken of andere materie op de route vormen geen probleem; neutrino’s vliegen overal met gemak doorheen. Zo reizen ze ongehinderd in een rechte lijn van hun bron naar de aarde. Als je het voor elkaar krijgt om hoogenergetische kosmische neutrino’s te vangen en te bepalen uit welke richting ze komen, kun je krachtige kosmische deeltjesversnellers opsporen en er meer over leren.
Maar de eigenschappen waardoor kosmische neutrino’s zo keurig naar hun bron wijzen, maakt het ook lastig om ze te detecteren. Verreweg de meeste zullen namelijk net zo ongehinderd door je detector vliegen als door stofwolken en andere obstakels in het heelal.
Zwart gat
Toch zijn er, dankzij enorme detectoren zoals IceCube, inmiddels honderden kosmische neutrino’s van buiten ons zonnestelsel gedetecteerd. Maar slechts van een paar is de vermoedelijke bron ontdekt. De recentste neutrinobron, die IceCube-onderzoekers begin november bekendmaakten, is het zwarte gat in het centrum van het sterrenstelsel Messier 77. Dit is net als TXS 0506+056 een actief sterrenstelsel.
De laatste jaren druppelen de metingen van kosmische neutrino’s binnen. Dankzij IceCube en toekomstige neutrinotelescopen zal dit in een stroomversnelling komen. Als er straks een stortvloed van neutrinometingen binnenstroomt, dan betekent dat dat deze deeltjes astrofysici een nieuwe blik kunnen gaan bieden op het heelal. De hierboven beschreven metingen van IceCube vormen het begin van wat de gouden eeuw kan worden van de neutrinoastronomie.
