Waar komen energierijke neutrino’s vandaan? Een nieuw model van Amerikaanse natuurkundigen wijst naar de corona, een hete laag plasma, rondom superzware zwarte gaten.

Neutrino’s die beschikken over een behoorlijke hoeveelheid energie stellen natuurkundigen al tijdenlang voor een raadsel. Op de plekken in de kosmos waar deze deeltjes vandaan komen, is namelijk niets aparts te zien.

Een nieuw model kan nu verklaren waarom de bron van de neutrino’s onzichtbaar is. Mogelijk zijn de neutrino’s afkomstig van superzware zwarte gaten die zich schuilhouden in het centrum van sterrenstelsels en die geen andere straling loslaten.

Overheden moeten de lessen van zero-covid in hun achterhoofd houden
LEES OOK
Overheden moeten de lessen van zero-covid in hun achterhoofd houden

Opgezweepte spoken

Neutrino’s zijn spookachtige deeltjes die vrijwel geen massa hebben en die moeiteloos door de aarde heen vliegen. Natuurkundigen hebben op verschillende plekken op de wereld apparaten gebouwd die deze deeltjes ondanks hun ongrijpbaarheid toch kunnen meten.

Eens in de zoveel tijd meet zo’n apparaat neutrino’s met een flinke hoeveelheid energie. Deze moeten ergens in de kosmos zijn ontstaan, op een plek waar deeltjes met enorme snelheden op elkaar knallen. De neutrino’s die uit zo’n botsing voortkomen, verlaten de botsingsplek met een enorme zwieper, waardoor hun energiewaarden hoog zijn. Maar wat die zwieper veroorzaakt, is tot nog toe onbekend. Mogelijk nemen zwarte gaten de rol van natuurlijke deeltjesversnellers op zich, maar zeker weten doen natuurkundigen dat niet.

Straling vermist

Het lijkt voor de hand te liggen dat zo’n energierijke botsing in elk geval niet onopgemerkt kan blijven. Wat de oorzaak ook precies is, de productie van de neutrino’s zou gepaard moeten gaan met een flinke hoeveelheid gammastraling of andere hoogenergetische straling. Die zouden astronomen moeten kunnen meten.

Voor neutrino’s met de allerhoogste energiewaarden is dat ook het geval. Als neutrinodetectoren deze deeltjes opmerken, slaan óók de gammastraling-detectoren uit. Maar voor neutrino’s die qua energiewaarde tot de top- tot middenklasse behoren, lijkt de bron onzichtbaar.

‘We weten dat de bronnen die deze energierijke neutrino’s maken ook gammastraling moeten uitstoten, dus de vraag is: waar zijn de vermiste gammastralen?’ zegt onderzoeksleider Kohta Murase van de Amerikaanse staatsuniversiteit van Pennsylvania in een persverklaring. De oplossing, oppert zijn team, zou wel eens in een zwart gat te vinden kunnen zijn.

Dichte waas

Het nieuwe model wijst in het bijzonder naar de zogeheten corona’s van superzware zwarte gaten die in de centra van sterrenstelsels zitten. De corona is de buitende laag van een hemelobject. In het geval van een zwart gat zit er om het gat een schijf van materie die langzaam maar zeker naar binnen valt. Rondom deze materieschijf zit de corona: een waas van extreem heet, turbulent plasma waarin sterke magneetvelden heersen. Dat zijn precies de omstandigheden waarin deeltjes versneld raken en op elkaar kunnen botsen. Bij die botsingen kunnen energierijke neutrino’s in de richting van de aarde geslingerd worden.

De spookachtige neutrino’s zouden uit de turbulente coronaomgeving kunnen ontsnappen, maar gammastraling kan er worden tegengehouden doordat het interacties aangaat met de dichte warboel van straling en materie.

Neutrino’s kunnen ook vormen in zogeheten jets, sproeiers van materie die uit zwarte gaten schieten. Afbeelding: NASA.

Meetplannen

Neutrino-expert Aart Heijboer van het Nederlandse deeltjesinstituut Nikhef is enthousiast over het nieuwe model. Heijboer is betrokken bij neutrinotelescoop KM3NeT, die nu in aanbouw is en die over een jaar of twee start met metingen. ‘Het is interessant dat de onderzoekers voorspellingen doen over het aantal neutrino’s dat uit de corona ontsnapt. Dat betekent dat we straks met KM3NeT bekende zwarte gaten kunnen bekijken en dan kunnen beoordelen of hun voorspellingen kloppen.’

De corona van een zwart gat is niet de enige mogelijke bron van deze neutrino’s. ‘Een concurrerend idee is dat de deeltjes afkomstig zijn uit de jet van een zwart gat: een sproeier van spul die deze systemen uitstoten. Ook daarin kunnen deeltjes versneld worden’, zegt Heijboer. ‘Als we dus neutrino’s uit de omgeving van een zwart gat meten, moeten we vervolgens nog onderscheiden waar ze precies vandaan komen.’

‘Gelukkig voorspellen beide modellen niet alleen wat de neutrino’s doen, maar ook wat je zou moeten zien aan zichtbaar licht en röntgenstraling’, voegt Heijboer toe. ‘Dat zal helpen om de modellen te toetsen en te zien welke juist blijkt.’