Weblocatie: http://www.fom.nl/live/nieuws/artikel.pag?objectnumber=68754
8 november 2007

Verband tussen kosmische deeltjes en superzware zwarte gaten

De deeltjes met de allerhoogste energie uit het heelal die de aarde bereiken komen uit de richting van superzware zwarte gaten. Dit blijkt uit waarnemingen van het Pierre Auger Observatorium in Argentinië. Science publiceert deze ontdekking op 9 november 2007. Al veertig jaar was het een raadsel wat de bron van deze deeltjes is. Ook wetenschappers uit Nederland werken mee aan dit onderzoek bij het grootste observatorium voor kosmische deeltjes ter wereld.
Figuur 1. Het Pierre Auger Observatorium is een hybride detector
vergroten Figuur 1. Het Pierre Auger Observatorium is een hybride detector

Uit het heelal binnenkomende zeer energierijke deeltjes botsen met deeltjes in de dampkring en daarbij ontstaat een lawine aan secundaire deeltjes. Die produceren in water een zwak lichtsignaal (zogeheten Cherenkovstraling) en in de lucht zeer zwakke fluorescentie van stikstofmoleculen. Het observatorium bestaat uit een netwerk van 1600 watertanks waarin Cherenkovstraling wordt geregistreerd en vier batterijen van elk zes telescopen die de fluorescentie in de lucht met behulp van een groot aantal fotomultiplicatorbuizen (als de facetogen van een vlieg) registreren. Samen maken ze het mogelijk de richting van binnenkomende deeltjes betrouwbaar te reconstrueren. Op de foto een van de watertanks op de voorgrond en een telescoopgebouw op de heuvel op de achtergrond.
Foto Auger Observatory

Figuur 2. Detectieprincipe
vergroten Figuur 2. Detectieprincipe
De richting van een binnenkomend deeltje gereconstrueerd uit registraties in een aantal watertanks (de stippen) en in het blikveld van de vier fluorescentiedetectoren.
Illustratie Auger Observatory
Figuur 3. Bronnen van hoogenergetische deeltjes
vergroten Figuur 3. Bronnen van hoogenergetische deeltjes
De rode kruisjes geven de positie aan de hemel van 472 actieve melkwegkernen (of AGN's); die staan binnen een afstand van een kleine 250 miljoen lichtjaar van ons vandaan. Het blauwe gedeelte - binnen de getrokken lijn - is het blikveld tot op 30 graden boven de horizon van het Pierre Auger Observatorium. Hoe blauwer, hoe beter de gevoeligheid van het observatorium. De cirkels geven de aankomstrichtingen aan van de 27 meest energierijke deeltjes die tot nog toe zijn gedetecteerd. Hun energie is groter dan 57 x 1018 eV. Twee van die cirkels vallen binnen een nauwkeurigheid van drie graden samen met Centaurus A, de AGN die het dichtst bij de aarde staat (op 15 miljoen lichtjaar afstand). De streeplijn geeft het zogeheten supergalactische vlak aan. Langs dat vlak is een groot aantal nabije melkwegen, inclusief AGN's, geconcentreerd.
Figuur 4. Centaurus A
vergroten Figuur 4. Centaurus A
Een opname van de kern van melkwegstelsel Centaurus A. De actieve kern van dit stelsel lijkt de bron van extreem energierijke kosmische deeltjes.
Foto ESO
Figuur 5. Nederlandse watertank
vergroten Figuur 5. Nederlandse watertank
Alle 1600 watertanks van het observatorium hebben een naam. Eén daarvan is vernoemd naar Nederland. Van links naar rechts wetenschappelijk medewerker Charles Timmermans (FOM/Nikhef/RU), een medewerker van het observatorium en de FOM-oio's José Coppens (RU/Nikhef) en Sybren Harmsma (KVI/Nikhef).
Foto Ad van den Berg
Figuur 6. LOFAR-antenne
vergroten Figuur 6. LOFAR-antenne
Een LOFAR-antenne wordt gemonteerd op een mast. Ad van den berg leidt het R&D-programma voor detectie van kosmische stralen binnen het Auger-samenwerkingsverband. Met deze antenne zijn de eerste metingen verricht. Dat gebeurt dan gelijktijdig met de standaard watertanks. Omdat de onderzoekers verwachten dat het hoekoplossend vermogen van waarnemingen met een aantal radioantennes beter is dan met de watertanks, kan deze techniek een nog nauwkeuriger bepaling opleveren van de plaats van puntbronnen aan de hemel. Op de foto van links naar rechts Ad van den Berg (KVI/RuG, op de ladder), Matthias Leuthold (RWTH, Aken), Charles Timmermans (FOM/RU/NIKHEF) en Sybren Harmsma (KVI/NIKHEF).
Foto José Coppens

De aarde wordt voortdurend gebombardeerd door deeltjes uit het heelal: kosmische straling. Ze zijn klein - zoiets als een proton. De deeltjes met extreem hoge energie die nu onderwerp zijn van de publicatie in Science zijn zeer zeldzaam. Gemiddeld valt er één deeltje per vierkante kilometer per eeuw op het aardoppervlak. Ze komen van buiten de Melkweg, zoveel was al duidelijk, maar metingen tot nu toe konden de deeltjes niet aan een bepaalde bron koppelen. Dat werd anders met de komst van het Pierre Auger Observatorium, dat in 2004 in Argentinië in gebruik werd genomen. Dit observatorium, dat op een hoogvlakte ligt ten oosten van het Andesgebergte, beslaat een oppervlakte van 3000 vierkante kilometer. Door een slimme detectiemethode kan de richting waaruit de deeltjes komen en hun energie nauwkeurig worden bepaald.

Uit de registraties blijkt nu dat de richting waaruit die extreem energierijke deeltjes komen samenvalt met zogeheten actieve kernen van melkwegstelsels (in het Engels aangeduid als Active Galactic Nucleus - AGN). Sterrenkundigen gaan er vanuit dat deze kernen in feite superzware zwarte gaten zijn. Een bekend voorbeeld van een AGN is het object Centaurus A, een bron van straling op allerlei golflengten in het sterrenbeeld Centaurus. Twee van de geregistreerde hoogenergetische deeltjes lijken van dat object afkomstig te zijn. 

In de komende jaren zullen bij het Argentijnse observatorium nog veel meer kosmische deeltjes met een zeer hoge energie gemeten worden. Zo zal duidelijk worden hoe in de kosmos enorme deeltjesversnellers werken - veel sterker dan welke ook op aarde. Ook zal de sterrenkunde deze deeltjes kunnen gebruiken om objecten in het heelal te onderzoeken. 

Nederlandse inbreng
Nederlandse fysici en astrofysici zijn sinds 2005 betrokken bij het onderzoek bij het Pierre Auger Observatorium. Een van de speerpunten van het Nederlandse onderzoek bij dat observatorium richt zich op de ontwikkeling van detectietechnieken, waarbij radio-ontvangers gebruikt worden om kosmische stralen waar te nemen. Met deze detectietechnieken verwachten de onderzoekers nog nauwkeuriger dan nu de aankomstrichting van de kosmische stralen te kunnen bepalen.
De Nederlandse onderzoekers bij het Pierre Auger Observatorium werken bij
- het Institute for Mathematics, Astrophysics and Particle Physics (IMAPP), Radboud Universiteit Nijmegen;
- het  Kernfysisch Versneller Instituut (KVI), Rijksuniversiteit Groningen;
- het Nationaal Instituut voor Kernfysica en Hoge Energie Fysica (Nikhef), Amsterdam;
- de Stichting Astronomisch Onderzoek in Nederland (ASTRON), Dwingeloo.

Daarnaast nemen Nederlandse onderzoekers deel aan het onderzoek aan kosmische deeltjes met de nieuwe radiotelescoop LOFAR en aan het onderzoek aan kosmische neutrino's met het ANTARES-observatorium in de Middellandse Zee. Ten derde wordt ook gewerkt aan het VIRGO-project in Italië, waarmee gravitatiegolven waargenomen zullen worden. Al deze onderzoeksactiviteiten worden gecoördineerd door het Comité Astrodeeltjesfysica Nederland. 

Meer informatie bij Ad M. van den Berg, Kernfysisch Versneller Instituut, Rijksuniversiteit Groningen, landelijke vertegenwoordiger van de Pierre Auger samenwerkingsverband, telefoon (050) 363 36 29.
Website: http://www.auger.org/media.

Verdere contactpersonen
LOFAR: Prof.dr. Heino Falcke, IMAPP, Radboud Universiteit Nijmegen en ASTRON, Dwingeloo.
ANTARES: Prof.dr. Maarten de Jong, Universiteit van Leiden en Nikhef, Amsterdam.
VIRGO: Prof.dr. Jo F.J. van den Brand, Vrije Universiteit Amsterdam.
Comité Astrodeeltjesfysica Nederland: Prof.dr. Gerard van der Steenhoven, Nikhef, Amsterdam en Kernfysisch Versneller Instituut, Rijksuniversiteit Groningen.