Laagfrequente radiohemel ten tijde van een kosmische straling. Afbeelding tegoed: MPIFR. Klik om te vergroten.
Met behulp van het LOPES-experiment, een prototype van de nieuwe high-tech radiotelescoop LOFAR om ultrahoogenergetische kosmische stralingdeeltjes te detecteren, heeft een groep astrofysici, in samenwerking met Max-Planck-Gesellschaft en Helmholtz-Gemeinschaft, de helderste en snelste geregistreerd radio-explosies ooit gezien in de lucht. De ontploffingen, waarvan de detectie wordt gerapporteerd in het nummer van deze week van het tijdschrift Nature, zijn dramatische flitsen van radiolicht die meer dan 1000 keer helderder lijken dan de zon en bijna een miljoen keer sneller dan normale bliksem. Heel kort worden deze flitsen - die tot dusver grotendeels onopgemerkt waren gebleven - het helderste licht aan de hemel met een diameter die tweemaal zo groot is als de maan.
Het experiment toonde aan dat de radioflitsen worden geproduceerd in de aardatmosfeer, veroorzaakt door de impact van de meest energetische deeltjes die in de kosmos worden geproduceerd. Deze deeltjes worden kosmische stralen met ultrahoge energie genoemd en hun oorsprong is een voortdurende puzzel. De astrofysici hopen nu dat hun bevinding een nieuw licht zal werpen op het mysterie van deze deeltjes.
De wetenschappers gebruikten een reeks radioantennes en de grote reeks deeltjesdetectoren van het KASCADE-Grande-experiment in Forschungszentrum Karlsruhe. Ze toonden aan dat wanneer een zeer energetisch kosmisch deeltje de aardatmosfeer raakte, een overeenkomstige radiopuls werd geregistreerd vanuit de richting van het binnenkomende deeltje. Met behulp van beeldvormende technieken uit de radioastronomie produceerde de groep zelfs digitale filmsequenties van deze gebeurtenissen, wat de snelste films opleverde die ooit in de radioastronomie zijn geproduceerd. De deeltjesdetectoren gaven hen basisinformatie over de binnenkomende kosmische straling.
De onderzoekers konden aantonen dat de sterkte van het uitgezonden radiosignaal een directe maat was voor de kosmische straling. "Het is verbazingwekkend dat we met eenvoudige FM-radioantennes de energie van deeltjes die uit de kosmos komen kunnen meten", zegt prof. Heino Falcke van de Nederlandse Stichting voor Astronomieonderzoek (ASTRON), de woordvoerder van de LOPES-samenwerking. "Als we gevoelige radioogen hadden, zouden we de lucht zien schitteren met radioflitsen", voegt hij eraan toe.
De wetenschappers gebruikten antennesparen die vergelijkbaar zijn met die van gewone FM-radio-ontvangers. "Het belangrijkste verschil met normale radio's is de digitale elektronica en de breedbandontvangers, waardoor we naar veel frequenties tegelijk kunnen luisteren", legt Dipl uit. Phys. Andreas Horneffer, een afgestudeerde student van de Universiteit van Bonn en de International Max-Planck Research School (IMPRS), die de antennes installeerde als onderdeel van zijn PhD-project.
In principe zijn sommige van de gedetecteerde radioflitsen in feite sterk genoeg om de conventionele radio- of tv-ontvangst korte tijd uit te schakelen. Om dit effect te demonstreren heeft de groep hun radio-ontvangst van een kosmische-straalgebeurtenis omgezet in een geluidsspoor (zie hieronder). Aangezien de flitsen echter maar 20-30 nanoseconden duren en heldere signalen slechts één keer per dag voorkomen, zouden ze in het dagelijks leven nauwelijks herkenbaar zijn.
Het experiment toonde ook aan dat de radio-emissie in sterkte varieerde in verhouding tot de oriëntatie van het aardmagnetisch veld. Deze en andere resultaten bevestigden basisvoorspellingen die eerder waren gemaakt in theoretische berekeningen door prof. Falcke en zijn voormalige promovendus Tim Huege, evenals door berekeningen van prof. Peter Gorham van de Universiteit van Hawaï.
Kosmische straaldeeltjes bombarderen constant de aarde en veroorzaken kleine explosies van elementaire deeltjes die een straal materie vormen en anti-materiedeeltjes die door de atmosfeer stromen. De lichtste geladen deeltjes, elektronen en positronen, in deze bundel worden afgebogen door het geomagnetische veld van de aarde waardoor ze radio-emissie uitzenden. Dit type straling is bekend van deeltjesversnellers op aarde en wordt synchrotronstraling genoemd. In analogie spreken de astrofysici nu over "geosynchrotron" -straling vanwege de interactie met het aardmagnetische veld.
De radioflitsen werden gedetecteerd door de LOPES-antennes die waren geïnstalleerd tijdens het KASCADE-Grande-experiment met kosmische straling met luchtdouche in Forschungszentrum Karlsruhe, Duitsland. KASCADE-Grande is een toonaangevend experiment voor het meten van kosmische straling. "Dit toont de kracht van het hebben van een groot astrodeeltjesfysica-experiment rechtstreeks in onze buurt - dit gaf ons de flexibiliteit om ook ongebruikelijke ideeën te onderzoeken zoals deze", zegt Dr. Andreas Haungs, woordvoerder van KASCADE-Grande.
De radiotelescoop LOPES (LOFAR Prototype Experimental Station) maakt gebruik van prototype-antennes van de grootste radiotelescoop ter wereld, LOFAR, die na 2006 in Nederland en delen van Duitsland zal worden gebouwd. LOFAR heeft een radicaal nieuw ontwerp, dat een veelvoud aan goedkope laagfrequente antennes combineert die de radiosignalen uit de hele lucht in één keer opvangen. Verbonden via supersnel internet heeft een supercomputer de mogelijkheid om ongebruikelijke signalen te detecteren en afbeeldingen van interessante gebieden aan de hemel te maken zonder mechanische onderdelen te verplaatsen. “LOPES behaalde de eerste grote wetenschappelijke resultaten van het LOFAR-project al in de ontwikkelingsfase. Dit geeft ons het vertrouwen dat LOFAR inderdaad zo revolutionair zal zijn als we hadden gehoopt. ” legt prof. Harvey Butcher uit, directeur van de Nederlandse Stichting voor Astronomieonderzoek (ASTRON) in Dwingeloo, Nederland, waar LOFAR momenteel wordt ontwikkeld.
"Dit is inderdaad een ongebruikelijke combinatie, waarbij kernfysici en radioastronomen samenwerken om een uniek en zeer origineel astrodeeltjesfysica-experiment te creëren", zegt Dr. Anton Zensus, directeur van het Max-Planck-Institut f? R Radioastronomie (MPIfR) in Bonn. “Het baant de weg voor nieuwe detectiemechanismen in de deeltjesfysica en toont de adembenemende mogelijkheden van de volgende generatie telescopen zoals LOFAR en later de Square Kilometre Array (SKA). Plots komen grote internationale experimenten op verschillende onderzoeksgebieden samen ”
Als volgende stap willen de astrofysici de aankomende LOFAR-array in Nederland en Duitsland gebruiken voor radioastronomie en kosmischestraalonderzoek. Er worden tests uitgevoerd om de radioantenne te integreren in het Pierre Auger-observatorium voor kosmische straling in Argentinië en mogelijk later in het tweede Auger-observatorium op het noordelijk halfrond. “Dit kan een grote doorbraak zijn in detectietechnologie. We hopen deze nieuwe techniek te gebruiken voor het detecteren en begrijpen van de aard van kosmische straling met de hoogste energie en ook voor het detecteren van neutrino's met ultrahoge energie uit de kosmos ”, zegt prof. Johannes Blämer, programmadirecteur van Astroparticle Physics van de Helmholtz Association en bij Forschungszentrum Karlsruhe.
De detectie is gedeeltelijk bevestigd door een Franse groep met behulp van de grote radiotelescoop van het Parijse observatorium in Nan? Ay. Historisch gezien werd eind jaren zestig voor het eerst gewerkt aan radio-emissie door kosmische straling met de eerste claims van detecties. Met de technologie van deze tijd kon echter geen bruikbare informatie worden verkregen en het werk stopte snel. De belangrijkste tekortkomingen waren het gebrek aan beeldvormingsmogelijkheden (nu geïmplementeerd door software), de lage tijdsresolutie en het ontbreken van een goed gekalibreerde deeltjesdetectorserie. Dit alles is overwonnen met het LOPES-experiment.
Oorspronkelijke bron: MPI News Release
