Welke informatiebronnen over de kosmos zijn er naast straling? ingebracht door Hans Dijkstra
Nog niet zo heel lang geleden konden mensen alleen maar iets te weten komen over andere hemellichamen door nauwkeurig te kijken, te noteren en fotograferen. Alleen licht en wat meer recent radiogolven konden de enorme afstanden tussen mens en sterren manen en planeten overbruggen en informatie brengen. In het zonnestelsel zijn veel objecten inmiddels door ruimterobots onderzocht. Op de maan hebben astronauten zelfs rond gewandeld. Maar voor de verre sterren geldt dat elektro magnetische golven de voornaamste informatiebron zijn. Toch zijn er nog dingen zoals snelle deeltjes en zwaartekracht golven die ook gebruikt kunnen worden als informatiebron.
Wat leveren die aan extra kennis op?
Antwoord van een wijze (Hans Klein Woud):
Wat leren we van kosmische deeltjes en zwaartekrachtgolven?
In het laatste Metius Magazine (september-oktober 2017) was er de Vraag van een Gek over kosmische deeltjes en zwaartekrachtgolven. Zoals terecht werd gesteld is het grootste deel van onze sterrenkundige kennis ontstaan uit het waarnemen van elektromagnetische straling. Zichtbaar licht is verreweg het belangrijkst, maar tegenwoordig maken sterrenkundigen ook veelvuldig gebruik van laag energetische straling, bij voorbeeld radiogolven, hoogenergetische straling, zoals gammastraling, en alle andere elektromagnetische stralingssoorten daartussen. De vraag is nu: wat leren we van kosmische straling en zwaartekrachtgolven?
Als eerste kosmische straling. Dat zijn veelal geladen deeltjes, vooral protonen maar ook elektronen. De energie van de deeltjes kan enorm variëren.
De zon produceert zowel protonen als elektronen, met een energie tot 100 GeV = 1011 eV. Eén elektronvolt = 1 eV betreft de energie nodig om een elektron een spanning van 1 V te laten overbruggen. De protonen en elektronen als gevolg van de normale zonnewind zijn laag-energetisch en hebben snelheden van circa 400 – 700 km/s (dat is dus ongeveer 0,2 % van de lichtsnelheid). De protonen als gevolg van zonuitbarstingen kunnen wel snelheden van 99,99 % van de lichtsnelheid hebben.
De laag energetische deeltjes, tot 0,4 GeV worden door het aardmagnetisch veld afgebogen naar de poolstreken en veroorzaken daar door botsingen met de atmosfeer het poollicht. Deeltjes met energieën groter dan 0,4 GeV worden niet afgevangen door het aardmagnetisch veld en kunnen dus direct, ook bij de evenaar, de atmosfeer bereiken. Bij het binnendringen van de atmosfeer zijn er vanaf 40 km hoogte botsingen met luchtmoleculen. Het gevolg is een serie van herhaalde botsingen en een regen van “exotische” deeltjes, zoals pionen en muonen. Op 10 km hoogte is de deeltjesdichtheid het grootst. De gevormde deeltjes hebben een korte levensduur en de meeste vervallen, voordat zij het aardoppervlak bereiken, uiteindelijk in fotonen en elektronen. Muonen (zware elektronen met een 207 maal zo hoge massa) hebben een korte levensduur van 2,2 microsec. De Speciale Relativiteitstheorie (SRT) leert ons dat de hoge snelheid van de muonen tijddilatatie tot gevolg heeft, waardoor in “aardse” tijd de levensduur circa 22 microseconde wordt. Daarmee is het mogelijk dat muonen het aardoppervlak bereiken en dat wordt ook waargenomen.
Naast deeltjes geproduceerd door sterren worden er in de Melkweg ook door novae en supernovae (ontploffende sterren) kosmische deeltjes geproduceerd met hogere energieën tot 1 PeV (1015 eV). Deze kosmische deeltjes worden door magnetische velden zo sterk afgebogen dat zij de Melkweg niet verlaten. Gelukkig heeft het magnetisch veld van de zon een beschermende werking en zorgt er voor dat een groot deel het aardoppervlak niet bereikt.
Van buiten de Melkweg komen deeltjes met ultrahoge energie: 0,1 tot 100 EeV (1017 – 1020 eV). Dit betekent dat de protonen extreem relativistisch zijn met snelheden van 99,9999…999 % van de lichtsnelheid (17 tot 20 negens achter de komma). De magnetische velden in de Melkweg zijn niet in staat deze deeltjes af te buigen en zij kunnen dus ook de aarde bereiken. Gelukkig is het aantal dat de aarde bereikt erg klein: gemiddeld komt er 1 deeltje van 1020 eV per vierkante km per jaar op aarde. Toch is er in Argentinië, met medewerking van het NIKHEF (Nederlands Nationaal instituut voor subatomaire fysica), een detector gebouwd die deze deeltjes kan waarnemen. De oorsprong van deze deeltjes is nog een mysterie. Mogelijke bronnen zijn de superzware zwarte gaten in zogenaamde AGN’s (Active Galactic Nuclei) Dat zijn sterrenstelsels met een centraal zwart gat waar omheen hoog energetische processen plaats vinden. Het proces hoe de deeltjes de extreme snelheden krijgen is onduidelijk.
Naast de genoemde natuurlijke hoogenergetische protonen kunnen we in de LHC (Large Hadron Collider) van het CERN in Geneve ook hoogenergetische protonen, tot maximaal 7 TeV (7.1012 eV) maken. Daarmee zijn veel experimenten met die deeltjes mogelijk en krijgen we meer kennis op het gebied van deeltjesfysica. Echter de ultra-energetische deeltjes kunnen we op aarde niet maken. Als we dus meer willen leren over deeltjesfysica zijn we aangewezen op bestudering en waarneming van de natuurlijk voorkomende ultra-energierijke deeltjes. Hoe dat moet staat echter nog in de kinderschoenen.
Behalve geladen deeltjes bereiken ook neutrino’s de aarde. Neutrino’s zijn bijna massaloze, extreem relativistische, neutrale deeltjes, die onder andere ontstaan bij kernfusie in sterren en supernovae. Zij ontstaan dus ook in de zon. Het waarnemen van neutrino’s leert ons dus over kernfusie-processen in sterren. Neutrino’s hebben echter nauwelijks interactie met andere deeltjes en vliegen dwars door u en ook door de aarde heen. Toch is men er in geslaagd neutrinodetectoren te bouwen. De metingen hiermee hebben tot een flinke verrassing geleid. Het aantal waargenomen neutrino’s, die vooral afkomstig zijn van de zon is maar een derde van het aantal neutrino’s die we dachten te moeten vinden. Dit leidde tot twijfel over het kernfusieproces in de zon. Rond 2000 is de oplossing van het mysterie gevonden. Neutrino’s komen voor in drie soorten: elektron-, muon- en tau-neutrino’s. De voorspelde elektron-neutrino stroom, geproduceerd door kernfusie in de zon blijkt wel degelijk te kloppen. Neutrino oscillaties zijn de oorzaak: elektron-neutrino’s kunnen overgaan in de andere neutrino-typen. Dit proces verklaart vrijwel exact de waargenomen neutrino’s en bleken onze ideeën over kernfusie in de zon niet fout.
Neutrino waarnemingen kunnen ons meer leren over zaken die niet met elektromagnetische straling waargenomen kunnen worden. Bij voorbeeld wat gebeurt er in de kern van een supernova.
Gravitatie werd vroeger gezien als een kracht: twee massa’s trekken elkaar aan, de zwaartekracht. Sinds Einstein in 1915 de Algemene Relativiteitstheorie (ART) publiceerde weten we, dat het feitelijk om een vervorming van de ruimtetijd gaat. De ART voorspelt bij voorbeeld dat licht door een massa van richting verandert. Dit is een gevolg van de vervorming van de ruimte rond die massa. Eddington heeft bij de zonsverduistering van 1919 dit effect gemeten en daarmee een sterke ondersteuning geleverd voor de ART. De ART voorspelt ook dat twee om elkaar roterende massa’s de ruimtetijd periodiek vervormen. Daardoor verliest het stelsel energie, beweegt naar elkaar toe en genereert zogenaamde zwaartekrachtgolven. Als dit kleine massa’s betreft is het effect dermate klein dat we het niet kunnen meten. Maar zware om elkaar roterende objecten, zoals zwarte gaten en neutronensterren, die uiteindelijk samensmelten veroorzaken sterke gravitatiegolven. Het laatste moment van samensmelten tot één zwart gat kan met geavanceerde detectoren zelfs op grote afstanden gemeten worden. Ook een supernova Ia, waarbij een witte dwerg massa overneemt van een andere ster leidend tot een explosieve kernfusie, kan waarneembare zwaartekrachtgolven veroorzaken.
De eerste keer dat zwaartekrachtgolven zijn gemeten was in 2015. Dat gebeurde met LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) in de VS. Hierbij bleek dat twee om elkaar roterende zwarte gaten van 29 en 36 zonsmassa’s zijn samengesmolten. De analyse van de gemeten signalen gaf aan dat dit 1,3 miljard jaar geleden gebeurde, waarbij een gigantische hoeveelheid golfenergie overeenkomend met 3 zonsmassa’s (E= mc2) werd uitgezonden. Deze waarneming heeft ons geleerd dat er behalve de bekende zwarte gaten: kleine als gevolg van supernovae en superzware in de kern van sterrenstelsels, ook middelgrote zwarte gaten bestaan. Ondertussen zijn al minstens 5 keer gravitatiegolven waargenomen. De laatste keer dat dit gebeurde, betrof het de fusie van twee neutronensterren op een betrekkelijk korte afstand van 130 miljoen lichtjaar. De sterren hadden een massa tussen 1,1 en 1,6 zonsmassa. In dat geval is men ook in staat geweest de lichtflits gegenereerd bij deze samensmelting waar te nemen. Hieruit bleek dat bij de botsing veel zware metalen, zoals goud en lood, gevormd zijn en de ruimte in geslingerd zijn.
Het is onduidelijk wat we nog meer kunnen leren van zwaartekrachtgolven, maar de betrokken fysici hebben er hoge verwachtingen van. In de lezing op vrijdag 23 februari 2018 zal prof. dr. Jo van den Brand, van het NIKHEF, ons zeker meer kunnen vertellen over zwaartekrachtgolven. De ervaring met andere nieuwe waarneemtechnieken, zoals bij voorbeeld de introductie van radioastronomie kort na de tweede wereldoorlog, leert ons dat naarmate de techniek verbetert we steeds meer onverwachte zaken ontdekken.