Lofar hoort kosmische deeltjes inslaan

De aarde ondergaat een bombardement met hoogenergetische deeltjes uit de ruimte. Daar hebben we doorgaans geen last van, maar astronomen zijn wel geïnteresseerd in hun herkomst. Nu zijn deze deeltjes voor het eerst bestudeert via radiostraling, met de radioantennes van de Nederlandse Lofar telescoop. Dit stond op 3 maart te lezen in het wetenschappelijke tijdschrift Nature.

Een kosmisch deeltje dat met bijna de lichtsnelheid de dampkring invliegt zal al snel in botsing komen met een atoomkern. Dat levert een regen van brokstukken op die ook weer kunnen botsen. Een inslag veroorzaakt zo een ‘douche’ van deeltjes. In Argentinië staat in een gebied van drieduizend vierkante kilometer een groot aantal detectoren op de grond om de druppels van de douche op te vangen, het Auger Observatorium.

Maar de douche van deeltjes produceert ook radiostraling, een flits van enkele miljardsten van een seconde. Bij de bouw van de Nederlandse Lofar radiotelescoop leek het een goed idee eens te zien of het mogelijk was hiermee informatie te verzamelen over hoogenergetische kosmische deeltjes. Een belangrijke vraag daarbij is hun oorsprong: ligt die binnen onze eigen Melkweg, of daarbuiten?

‘Naar mate een deeltje meer energie heeft, dringt de douche dieper in de atmosfeer door’, legt natuurkundige Olaf Scholten, hoogleraar bij het KVI - Center for Advanced Radiation Technology uit. Hij is een van de auteurs van het Nature artikel. ‘Door te meten waar het punt van grootste activiteit ligt, is te achterhalen hoeveel energie het ingeslagen deeltje had.’

De energie verspreid zich in een kegelvorm richting de aarde. Hoe smaller de kegel op de grond is, hoe lager in de atmosfeer de piek zat. Voor de metingen zijn alleen de Lofar antennevelden die op de ‘superterp’ die het hart van de telescoop vormen gebruikt, een cirkel met een diameter van driehonderd meter. ‘Je kijkt welke antennes een signaal wel en welke het niet opvangen, en zo kun je de grootte van de kegel bepalen.’

De informatie die dit oplevert over de deeltjesdouche is vervolgens vertaald in informatie over de aard van de veroorzaker. ‘We kunnen de gevolgen van verschillende soorten kernen die inslaan goed modelleren. Via simulaties vinden we welke deeltjes het best passen bij het signaal dat we hebben gemeten.’

Hoogenergetische deeltjes kunnen klein (losse protonen) tot relatief groot (ijzeratomen) zijn. De metingen die gedaan zijn met Lofar laten zien dat er een mengsel van lichte en zware kernen inslaat. ‘Modellen laten zien dat deeltjes die uit andere sterrenstelsel komen vooral licht zijn, zware deeltjes zijn een teken dat ze uit onze eigen Melkweg afkomstig zijn.’ Het feit dat Lofar een mengsel vond, suggereert dat de bron binnen de Melkweg ligt. ‘Dat zou dan een zware ster kunnen zijn die als een deeltjesversneller werkt.’ Die vraag lijkt dus opgelost.

Maar de kosmische inslagen bieden kansen op nog meer kennis. De gemeten deeltjes hebben meer energie dan de protonen die de grootste versneller op aarde, de LHC in Genève, kan produceren. ‘De kosmische deeltjes vormen een soort natuurlijk experiment, waaruit we nieuwe informatie kunnen halen.’ Dat kan nu met Lofar, en over een aantal jaren ook met SKA (de Square Kilometer Array) die in Australië en Zuid Afrika komt te staan.

De experimenten zijn enkele jaren geleden al begonnen, in de fase waarin Lofar nog niet officieel in bedrijf was. De eerste auteur, Stijn Buitink, werkte toen aan de RUG. Later vertrok hij naar de Radboud Universiteit Nijmegen en vervolgens naar de Vrije Universiteit Brussel. Scholten is ook verbonden aan die laatste universiteit. ‘Het project is hier begonnen, en Nijmegen en de VUB hebben later een belangrijke bijdrage geleverd.’

In 150 waarneemdagen zijn uiteindelijk 118 ‘deeltjesdouches’ gemeten. Dat lijkt niet veel, maar, vertelt Scholten, het Auger Observatorium doet fysica met zo’n 10 per jaar. ‘Die kijken echter naar deeltjes met nog meer energie, die veel en veel zeldzamer zijn.’ Het blijft ook bijzonder om hoge energie fysica te kunnen doen met een paar FM-radioantennes in een Drents natuurgebied.

Referentie: A large light-mass component of cosmic rays at 1017–1017.5 electronvolts from radio observations. Stijn Buitink et al. Nature 3 maart doi:10.1038/nature16976