In een tunnel onder de Zwitsers-Franse grens hebben wetenschappers miniatuurversies nagebouwd van enkele van de helderste objecten in het heelal.
Met behulp van een van CERNs oudere deeltjesversnellers hebben onderzoekers kleine plasma-'vuurkogels' gecreëerd die zich gedragen als verkorte versies van de stralen die uit superzware zwarte gaten worden geschoten. Dit opent een nieuw venster op de vraag waarom een groot deel van het verwachte licht in het heelal simpelweg ontbreekt.
Het raadsel van het kosmische ontbrekende licht
Astrofysici worstelen al lang met een opvallende tegenstrijdigheid tussen theorie en werkelijkheid. Bepaalde sterrenstelsels, bekend als blazars, stoten extreme gammastralen uit — de energierijkste vorm van licht. Die stralen zouden vervolgens een cascade van zwakkere gammastralen moeten veroorzaken terwijl ze door de ruimte razen.
Die zwakkere gammastralen zouden zichtbaar moeten zijn voor ruimtetelescopen. Toch zijn er vele gewoon niet te vinden.
Blazarstralen lijken onderweg energie te verliezen, maar de hemel straalt niet zoals de standaardnatuurkunde voorspelt.
Het nieuwe experiment, geleid door de Universiteit van Oxford en uitgevoerd bij CERNs Super Proton Synchrotron (SPS), suggereert dat enorme maar uiterst zwakke magnetische velden die de intergalactische ruimte doorkruisen, dat licht stilletjes van de Aarde wegsturen.
Wat is een blazar precies?
Blazars zijn een bijzonder type actief sterrenstelsel. In hun kern bevindt zich een superzwaar zwart gat dat omringend gas en stof opslokt. Naarmate materie naar binnen spiraalvormig valt, vormen krachtige magnetische velden een deel ervan om tot smal uitgerichte stralen die met bijna de lichtsnelheid vanuit de polen worden weggeschoten.
Bij sommige blazars wijst een van deze stralen min of meer recht op de Aarde. Door die uitlijning lijken ze uitzonderlijk helder in gammastralen vanuit het perspectief van onze telescopen.
Van stralen met biljoen elektronvolt tot verdwijnend licht
De meest energetische gammastralen van blazars kunnen meerdere teraelektronvolt (TeV) bereiken. Wanneer deze TeV-fotonen door de intergalactische ruimte reizen, botsen ze met de zwakke achtergrond van sterrenlicht die het heelal vult.
Die botsingen zetten licht om in materie: elke inslag produceert een deeltjespaar — een elektron en zijn antistofzusje, een positron. Dit paar raast vervolgens verder en wisselwerkt met de kosmische achtergrondstraling, de restgloed van de Oerknal. Dit proces zou normaal gesproken een regen van lager-energetische gammastralen van gigaelektronvolt (GeV) moeten opwekken.
Ruimtemissies zoals NASA's Fermi Gamma-ray Space Telescope hebben zorgvuldig gezocht naar die GeV-signalen. Velen ontbreken simpelweg, waardoor twee verklaringen overblijven:
- Intergalactische magnetische velden buigen de deeltjesparen om, waardoor hun gammastralen van de Aarde worden weggestuurd.
- Plasma-instabiliteiten vernietigen of verzwakken de deeltjesstralen voordat ze kunnen stralen.
Twee rivaliserende ideeën: magnetische velden of plasmachaos?
De eerste verklaring berust op het idee dat enorme maar extreem zwakke magnetische velden zich uitstrekken tussen sterrenstelsels. Deze zouden het pad van elektron-positronstralen verdraaien, waardoor de resulterende gammastralen zo dun over de hemel worden gespreid dat telescopen ze nauwelijks kunnen waarnemen.
De tweede verklaring komt uit de plasmafysica. De ruimte is geen perfecte vacuüm — ze is gevuld met een ijl plasma van geladen deeltjes. Wanneer een straal van elektronen en positronen door dit medium beweegt, kan die in theorie instabiel worden.
Kleine onregelmatigheden in een relativistische straal kunnen uitgroeien tot filamenten van stroom en magnetisch veld, waardoor energie uit de straal wordt onttrokken.
Dit effect, stroomfilamentatie-instabiliteit genoemd, zou in theorie de energie van de straal kunnen onttrekken en verhinderen dat de verwachte gammastralen worden gegenereerd.
Kosmische stralen nabootsen bij CERN
Bepalen welk proces domineert in de intergalactische ruimte is met telescopen alleen vrijwel onmogelijk. Daarom koos het door Oxford geleide team voor een andere aanpak: een verkleinde kosmische straal in het laboratorium bouwen.
Ze gebruikten CERNs HiRadMat-faciliteit, normaal bedoeld om te bestuderen hoe intense bundels materialen beschadigen, en repurposeerden die als platform voor 'laboratoriumastrofysica'.
Het Fireball-experiment
Het project, Fireball gedoopt, schoot een bundel elektronen en positronen — geproduceerd door de SPS — door een plasmakolommetje van één meter. Dit fungeerde als een miniatuuranaloog van de veel grotere elektron-positroncascades die blazargammastralen in de diepe ruimte veroorzaken.
Door te volgen hoe de vorm van de bundel veranderde en de magnetische velden te meten die daarbij ontstonden, kon het team direct controleren of plasma-instabiliteiten zulke bundels werkelijk uit elkaar rukken.
| Aspect | Blazarstraal in de ruimte | Fireball-experiment bij CERN |
|---|---|---|
| Schaal | Lichtjaren lang | Ongeveer 1 meter |
| Medium | Intergalactisch plasma | Laboratoriumplasmakolommetje |
| Deeltjes | Elektron-positroncascades van gammastralen | Elektron-positronbundel van SPS |
| Doel | Ontbrekende GeV-gammastralen begrijpen | Sterkte van plasma-instabiliteiten testen |
Stabiele bundels wijzen richting kosmisch magnetisme
De uitkomst was verrassend rustig. In plaats van uiteenvallen in filamenten en wolken bleef de bundel opmerkelijk smal en behield zijn richting door het gehele plasmatraject.
Metingen toonden ook aan dat de bundel slechts zwakke magnetische velden genereerde, ver onder het niveau dat nodig is voor sterke stroomfilamentatie-instabiliteit om te groeien.
Opgeschaald naar kosmische afstanden suggereert het experiment dat plasma-instabiliteiten te zwak zijn om het voorspelde gammastraalsignaal te wissen.
Dat resultaat maakt intergalactische magnetische velden tot de meest aannemelijke verklaring voor de ontbrekende gammastralen. Als deze zwakke velden werkelijk bestaan, dateren ze waarschijnlijk uit de vroegste periode van de kosmische geschiedenis — mogelijk zelfs uit processen kort na de Oerknal.
Wat dit zegt over het vroege heelal
Er is wel een complicatie. Kosmologen gaan er doorgaans van uit dat het vroege heelal vrijwel perfect uniform was. Het creëren van wijdverspreide magnetische velden in zo'n glad heelal is allesbehalve vanzelfsprekend.
De nieuwe bevindingen verscherpen deze spanning. Als zowel de gammastraaldata als de Fireball-resultaten wijzen op alomtegenwoordige magnetische velden, dan heeft de standaardkosmologie mogelijk een extra ingrediënt nodig om ze te verklaren.
Sommige theorieën suggereren dat exotische natuurkunde — voorbij het Standaardmodel van de deeltjesfysica — in de eerste fractieseconden na de Oerknal zaadmagnetische velden heeft kunnen creëren. Deze zaden zouden vervolgens groeien naarmate het heelal uitdijt en structuren vormen.
Toekomstige telescopen en nieuwe tests
Toekomstige sterrenwachten zullen dit beeld naar verwachting veel nauwkeuriger kunnen toetsen. De Cherenkov Telescope Array Observatory (CTAO), momenteel in aanbouw, zal hoog-energetische gammastralen van blazars met aanzienlijk betere gevoeligheid en resolutie kunnen meten.
Door gedetailleerde blazarspectra te vergelijken met voorspellingen die magnetische-veldeffecten meenemen, hopen onderzoekers de sterkte en structuur van intergalactisch magnetisme vast te stellen. De Fireball-data leveren daartoe een cruciale bijdrage door sterke plasma-instabiliteitverliezen uit te sluiten.
Hoe laboratoriumastrofysica het spel verandert
Het Fireball-project laat zien hoe deeltjesversnellers en krachtige lasers kunnen dienen als vervanger voor het heelal. In plaats van tientallen jaren te wachten op duidelijkere signalen van verre objecten, kunnen onderzoekers beheerste versies van extreme astrofysische omstandigheden creëren en die in real time bestuderen.
De samenwerking putte uit expertise van meerdere instituten: Oxford, het Britse Central Laser Facility, CERN, Amerikaanse laboratoria, Europese universiteiten en meer. Die mix van vaardigheden was noodzakelijk om diagnostiek te ontwerpen, hoog-intensieve bundels te bedienen en de resultaten te interpreteren met geavanceerde simulaties.
Laboratoriumastrofysica maakt van onbereikbare, verre verschijnselen experimenten die je kunt inschakelen, bijstellen en opnieuw uitvoeren.
Sleutelbegrippen achter de headlines
Voor niet-specialisten helpen een paar concepten bij het begrijpen van wat Fireball heeft bereikt:
- Plasma: een gas waarbij atomen zijn gesplitst in geladen deeltjes — elektronen en ionen — waardoor het geleidend is en reageert op elektrische en magnetische velden.
- Elektron-positronpaar: tweelingdeeltjes met gelijke massa maar tegengestelde lading. Positronen zijn de antistofpartners van elektronen.
- Gammastraal: de meest energetische vorm van licht. In tegenstelling tot röntgenstralen in de geneeskunde dragen astrofysische gammastralen miljarden of biljoenen keren meer energie dan zichtbare fotonen.
- Magnetisch veld: een gebied waar bewegende ladingen een kracht ondervinden. Zelfs extreem zwakke kosmische velden kunnen deeltjesstralen over miljoenen lichtjaren sturen.
Simulaties, risico's en vervolgstappen
Het experiment was nauw gekoppeld aan grootschalige numerieke simulaties met zogenaamde particle-in-cell-codes. Deze simulaties volgen miljarden virtuele deeltjes en de elektromagnetische velden die ze opwekken. Ze hielpen bij het ontwerpen van de Fireball-opstelling en werden vervolgens gecontroleerd aan de hand van de meetgegevens, wat het vertrouwen vergroot dat de laboratoriumresultaten werkelijk de astrofysische omstandigheden weerspiegelen.
Het uitvoeren van dergelijke hoog-energetische experimenten brengt technische en veiligheidsuitslagen met zich mee. De HiRadMat-faciliteit is zwaar afgeschermd en nauwlettend gecontroleerd, en de bundels worden zorgvuldig afgesteld om schade aan apparatuur of ongewenste straling buiten het doelgebied te voorkomen. Deze voorzorgsmaatregelen stellen onderzoekers in staat extremere situaties te onderzoeken zonder mensen of de bredere faciliteit in gevaar te brengen.
Vooruitkijkend zouden vergelijkbare opstellingen kunnen bestuderen hoe kosmische stralen zich verplaatsen, hoe schokgolven in supernova-overblijfselen deeltjes versnellen, of hoe stralen van pasgeboren zwarte gaten wisselwerken met hun omgeving. Elk nieuw experiment voegt een stukje toe aan een groter geheel: een heelal waarin kleine, bijna onzichtbare magnetische velden stilletjes bepalen welk licht ooit onze telescopen bereikt.
