Een gigantische telescoop in het Zuidpoolijs heeft neutrino’s waargenomen die het heelal in gespuwd lijken door het onstuimige zwarte gat in het hart van het sterrenstelsel Messier 77. Deze spookdeeltjes geven astrofysici een nieuwe manier om dit superzware zwarte gat te bestuderen.

De IceCube-detector, die gericht is op het meten van de bijna ongrijpbare neutrino’s, zag tussen 2011 en 2020 ongeveer 80 neutrino’s die afkomstig lijken uit Messier 77. Dat blijkt uit een recente analyse van de IceCube-metingen. Dit sterrenstelsel bevindt zich op ongeveer 46 miljoen lichtjaar afstand, in het sterrenbeeld Walvis.

In het centrum huist een actief superzwaar zwart gat, dat omliggende materie aan het opslokken is. Dat gebeurt met zoveel geweld dat een deel van de materie het heelal in wordt geslingerd. Hierbij komen onder meer energierijke neutrino’s vrij.

Voedsellessen uit de ruimte
LEES OOK
Voedsellessen uit de ruimte

Neutrino’s vangen

Neutrino’s zijn superlichte, elektrisch ongeladen deeltjes die ontstaan bij kernreacties in de zon of in kerncentrales op aarde, en dus ook bij spectaculaire kosmische gebeurtenissen zoals het explosieve einde van een ster of het gulzige schransen van een zwart gat zoals in Messier 77.

Deze deeltjes razen in groten getale met bijna de lichtsnelheid overal doorheen. Ze vliegen zelfs door de aarde heen, zonder zich er iets van aan te trekken. Dat betekent ook dat het ongelofelijk lastig is om neutrino’s te meten – ze schieten meestal ongemerkt door je detector heen.

De IceCube-telescoop bestaat uit ruim vijfduizend lichtdetector-bollen die op twee kilometer diepte ingevroren zitten in het zuidpoolijs. Heel soms laat een neutrino zich zien, als hij toevallig op een atoom in het ijs botst. Daarbij ontstaat een klein lichtflitsje. De duizenden detector-bollen proberen de lichtflitsjes op te vangen.

Hun ongrijpbaarheid maakt neutrino’s ook razend interessant. Ze schieten namelijk met gemak door grote stofwolken in het heelal. En omdat ze geen elektrische lading hebben worden ze onderweg ook niet afgebogen door magneetvelden. Dat betekent dat ze in een rechte lijn naar de bron wijzen waar ze vandaan komen.

Dit komt ook goed uit voor astrofysici die het zwarte gat van Messier 77 willen bestuderen. Daaromheen hangt namelijk een wolk van stof en gas die licht tegenhoudt, maar neutrino’s niet.

Een detector-bol van bovenaf gezien terwijl hij afdaalt in het ijs waar hij neutrinobotsingen kan gaan meten.
Beeld: Mark Krasberg, IceCube/NSF

Nieuwe blik

Neutrino’s kunnen daarom dienen als boodschappers die informatie overbrengen over de spectaculaire gebeurtenissen in het heelal waarbij ze vrijkomen. Ze bieden astrofysici daarmee een nieuwe blik op deze gebeurtenissen.

Astrofysici hebben het heelal tot nu toe vooral bestudeerd door te kijken naar elektromagnetische straling, zoals radiostraling, zichtbaar licht, infraroodstraling en röntgenstraling. Sinds een paar jaar zijn daar zwaartekrachtgolven bijgekomen. Dankzij detectoren zoals IceCube wordt het scala een ‘kosmische boodschappers’ verder uitgebreid met neutrino’s.

In het nieuwe vakgebied multimessenger-astronomie wordt de informatie van deze verschillende boodschappers samengevoegd. Daarmee hopen astrofysici antwoorden te vinden op openstaande vragen, zoals: wat gebeurt er bij een actief zwart gat?

Neutrinobronnen

‘Dit nieuws van IceCube is een heel belangrijke stap vooruit voor onze vakgebied’, zegt natuurkundige Dorothea Samtleben, van de Universiteit Leiden, die niet betrokken was bij het onderzoek. ‘Het was geen verrassing, omdat we al wisten dat IceCube een overschot aan neutrino’s waarnam uit de richting van Messier 77. Maar het is fijn dat het nu met grote zekerheid is aangetoond dat dit de bron is.’

Het is ook niet de eerste keer dat de bron van een kosmische neutrino herleid is. In 2017 detecteerde IceCube een neutrino die afkomstig bleek van TXS 0506+056, ook een sterrenstelsel met een gulzig zwart gat in het centrum.

Dat IceCube-onderzoekers nu met vrij grote zekerheid de bron hebben kunnen herleiden van maar liefst tientallen neutrino’s, is een mooi voorproefje van wat er mogelijk is met multimessenger-astronomie, een vakgebied dat in een stroomversnelling zit.

Waarschijnlijk zullen er de komende jaren nog veel meer kosmische neutrinobronnen ontdekt worden. ‘Daar kijken we echt naar uit’, zegt Samtleben. ‘De Europese neutrinotelescoop KM3NeT, die op dit moment in de Middellandse Zee gebouwd wordt, zal daar ook een belangrijke rol in gaan spelen.’

Als een neutrino botst in het heldere zuidpoolijs, produceert het secundaire deeltjes die een spoor van blauw licht achterlaten terwijl ze door de IceCube-detector reizen. Beeld: Nicolle R. Fuller, IceCube/NSF

KM3NeT kan ook gaan helpen met de vervolgmetingen die nodig zijn om er helemaal zeker van te zijn dat het hart van Messier 77 een neutrinobron is. Samtleben: ‘Ik verwacht dat we over tien jaar weten wat de belangrijkste neutrinobronnen zijn, en of Messier 77 daarbij hoort.’