Wat versnelt kosmische straling tot bijna de lichtsnelheid? Astronomen hebben bijna 100 jaar over die vraag nagedacht, en nu ondersteunt nieuw bewijs een theorie die al twee decennia bestaat dat kosmische straling waarschijnlijk wordt aangedreven door exploderende sterren en sterrenwinden. "Deze ontdekking is al bijna 20 jaar voorspeld, maar tot nu toe was geen enkel instrument gevoelig genoeg om het te zien", zegt Wystan Benbow, een astrofysicus bij het Smithsonian Astrophysical Observatory die dit project coördineerde voor het Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System (VERITAS ) samenwerking.
Bijna 100 jaar geleden ontdekten wetenschappers de eerste tekenen van kosmische straling, dat zijn eigenlijk geen stralen of stralen maar subatomaire deeltjes (meestal protonen) die met bijna de snelheid van het licht door de ruimte scheuren. De meest energetische kosmische straling wordt geraakt met de stoot van een 98-mph fastball, ook al zijn ze kleiner dan een atoom. Astronomen vroegen zich af welke natuurlijke kracht deeltjes tot zo'n snelheid zou kunnen versnellen.
De zeldzaamste kosmische straling bevat meer dan 100 miljard keer zoveel energie als wordt opgewekt door een deeltjesversneller op aarde. Astronomen hebben ingenieuze methoden bedacht voor het detecteren van kosmische stralen die de atmosfeer van de aarde raken. Het op afstand detecteren van kosmische straling vergt echter veel meer inspanning.
VERITAS heeft nieuw bewijs gevonden voor kosmische straling in de 'Cigar Galaxy', ook wel bekend als Messier 82 (M82), die 12 miljoen lichtjaar van de aarde is verwijderd in de richting van het sterrenbeeld Ursa Major, die de lang gekoesterde theorie dat supernova's en stellaire winden van massieve sterren de dominante versnellers zijn van deeltjes van kosmische straling.
Melkwegstelsels met een hoog niveau van stervorming zoals M82, ook wel bekend als "starburst" -stelsels, hebben grote aantallen supernovae en massieve sterren. Als de theorie klopt, zouden starburst-sterrenstelsels meer kosmische straling moeten bevatten dan normale sterrenstelsels. De VERITAS-ontdekking bevestigt die verwachting, wat aangeeft dat de dichtheid van de kosmische straling in M82 ongeveer 500 keer de gemiddelde dichtheid in ons Melkwegstelsel, de Melkweg, is.
"Deze ontdekking geeft fundamenteel inzicht in de oorsprong van kosmische straling", zegt Rene Ong, hoogleraar natuurkunde aan de University of California, Los Angeles, en de woordvoerder van de VERITAS-samenwerking.
Gammastralen gebruiken om kosmische straling af te leiden
VERITAS kon de kosmische straling van M82 niet rechtstreeks detecteren omdat ze vastzitten in de Cigar Galaxy. In plaats daarvan zocht VERITAS naar aanwijzingen voor de aanwezigheid van kosmische straling: gammastraling. Gammastraling is de meest energetische vorm van licht, veel krachtiger dan ultraviolet licht of zelfs röntgenstraling. Wanneer kosmische straling interageren met interstellair gas en straling binnen M82, produceren ze gammastraling, die vervolgens hun thuisstelsel kan ontsnappen en aardgebonden detectoren kan bereiken.
Het kostte twee jaar toegewijde gegevensverzameling om het zwakke signaal van de M82 te onderdrukken.
“We wisten dat de detectie van M82 belangrijke wetenschappelijke implicaties zou hebben. Als gevolg hiervan hebben we een uitzonderlijk lange blootstelling gepland onmiddellijk nadat het experiment volledig operationeel was geworden ”, aldus Benbow. “De gegevens moesten zorgvuldig worden geanalyseerd om het gammastraal-signaal te extraheren, dat meer dan een miljoen keer kleiner is dan de achtergrondruis. Hoewel het signaal maar een klein deel van de gegevens is, hebben we veel controles uitgevoerd op mogelijke vertekening en we zijn ervan overtuigd dat het signaal echt is. ”
"De detectie van M82 geeft aan dat het universum vol zit met natuurlijke deeltjesversnellers, en naarmate de op de grond gebaseerde gammastraal-observatoria blijven verbeteren, zijn verdere ontdekkingen onvermijdelijk." zei Martin Pohl, een professor in de natuurkunde aan de Iowa State University die de studie hielp leiden. Een nieuwe generatie VHE-gammastraalobservatorium, het Advanced Gamma-ray Imaging System (AGIS), is al in ontwikkeling.
VERITAS wordt beheerd door een samenwerking van meer dan 100 wetenschappers van 22 verschillende instellingen in de Verenigde Staten, Ierland, Engeland en Canada. Klik hier voor meer informatie over VERITAS.
Loodafbeelding bijschrift: een composiet van afbeeldingen met meerdere golflengten van het actieve sterrenstelsel M82 van Hubble, Chandra en Spitzer. Krediet: NASA, ESA, CXC en JPL-Caltech
Bron: Harvard Smithsonian Center for Astrophysics
