Een observatorium op een bergtop in Mexico, gebouwd en beheerd door een internationaal team van wetenschappers, heeft de eerste groothoekopname gemaakt van gammastraling afkomstig van twee snel draaiende sterren. Het High-Altitude Water Cherenkov (HAWC) Gamma-Ray Observatory bood het frisse perspectief op hoogenergetisch licht dat van deze sterrenburen stroomde, ernstige twijfel zaaien over een mogelijke verklaring voor een mysterieuze overmaat aan antimateriedeeltjes in de buurt van de aarde.

In 2008, astronomen hebben een onverwacht hoog aantal positronen waargenomen - de antimaterie-neven van elektronen - in een baan om de aarde een paar honderd mijl boven de atmosfeer van de aarde. Sindsdien, wetenschappers hebben gedebatteerd over de oorzaak van de anomalie, verdeeld over twee concurrerende theorieën over de oorsprong ervan. Sommigen suggereerden een eenvoudige verklaring:de extra deeltjes kunnen afkomstig zijn van nabije ingestorte sterren die pulsars worden genoemd, die meerdere keren per seconde ronddraaien en elektronen afwerpen, positronen en andere materie met gewelddadige kracht. Anderen speculeerden dat de extra positronen afkomstig zouden kunnen zijn van processen waarbij donkere materie betrokken is - de onzichtbare maar alomtegenwoordige substantie die tot nu toe alleen door zijn zwaartekracht werd gezien.

Met behulp van nieuwe gegevens van het HAWC-observatorium, onderzoekers deden de eerste gedetailleerde metingen van twee pulsars die eerder waren geïdentificeerd als mogelijke bronnen van de overmaat aan positronen. Door lichtdeeltjes te vangen en te tellen die uit deze nabijgelegen stellaire motoren stromen, HAWC-samenwerkingsonderzoekers ontdekten dat het onwaarschijnlijk is dat de twee pulsars de oorzaak zijn van de overmaat aan positronen. Ondanks dat het de juiste leeftijd heeft en de juiste afstand tot de aarde, de pulsars zijn omgeven door een uitgestrekte duistere wolk die voorkomt dat de meeste positronen ontsnappen, volgens de resultaten gepubliceerd in de 17 november, 2017 nummer van het tijdschrift Wetenschap .

"Deze nieuwe meting is verleidelijk omdat het het idee sterk afkeurt dat deze extra positronen naar de aarde komen van twee nabijgelegen pulsars, tenminste als je uitgaat van een relatief eenvoudig model voor hoe positronen weg diffunderen van deze draaiende sterren, " zei Jordan Goodman, hoogleraar natuurkunde aan de Universiteit van Maryland en de hoofdonderzoeker en Amerikaanse woordvoerder van de HAWC-samenwerking. "Onze meting beslist niet over de kwestie ten gunste van donkere materie, maar elke nieuwe theorie die de overmaat probeert te verklaren met behulp van pulsars, moet rekening houden met wat we hebben gevonden."

Francisco Salesa Greus, de belangrijkste corresponderende auteur van het nieuwe artikel en een wetenschapper aan het Instituut voor Kernfysica van de Poolse Academie van Wetenschappen in Krakau, Polen, voegde eraan toe dat "we de oorsprong van de overmaat aan positronen beter begrijpen na uitsluiting van twee van de belangrijkste bronkandidaten."

Een oog in de lucht

Net als bij een gewone camera, door veel licht te verzamelen, kan HAWC scherpe beelden maken van individuele gammastralingsbronnen. De meest energetische gammastraling vindt zijn oorsprong op de begraafplaatsen van grote sterren, rond stellaire overblijfselen zoals de ronddraaiende pulsarresten van supernova's. Maar dat licht komt niet van de sterren zelf. In plaats daarvan, het ontstaat wanneer de draaiende pulsar deeltjes versnelt tot extreem hoge energieën, waardoor ze inslaan op fotonen met lagere energie die overblijven uit het vroege universum.

De grootte van het puinveld rond krachtige pulsars, gemeten door het stukje lucht dat helder gloeit in gammastralen, vertelt onderzoekers hoe snel materie beweegt ten opzichte van de draaiende sterren. Dit stelt onderzoekers in staat om in te schatten hoe snel positronen bewegen en hoeveel positronen de aarde vanuit een bepaalde bron hadden kunnen bereiken.

Met behulp van een recent gepubliceerde HAWC-catalogus van de hoogenergetische hemel, wetenschappers hebben de nabijgelegen pulsar Geminga en zijn zus - de pulsar PSR B0656+14 - vrijgesproken als bronnen van de overmaat aan positronen. Ook al zijn de twee oud genoeg en dichtbij genoeg om het overschot te verklaren, materie drijft niet snel genoeg weg van de pulsars om de aarde te hebben bereikt.

"De HAWC-metingen van gammastraling tonen aan dat er hoogenergetische positronen uit deze bronnen ontsnappen, " zei Rubén López-Coto, een wetenschapper aan het Max Planck Instituut voor Kernfysica in Heidelberg, Duitsland en een corresponderende auteur. "Maar volgens onze meting, ze zouden niet significant kunnen bijdragen aan de extra positronen die op aarde worden gezien."

Deze meting zou niet mogelijk zijn geweest zonder het brede zicht van HAWC. Het scant continu ongeveer een derde van de lucht boven ons, waardoor onderzoekers een breed zicht kregen op de ruimte rond de pulsars. Andere observatoria die op zoek waren naar hoogenergetische gammastraling met een veel smaller gezichtsveld, misten het uitgebreide karakter van de pulsars.

Het HAWC-observatorium bevindt zich op een hoogte van 13, 500 voet, aan weerszijden van de Sierra Negra-vulkaan in Nationaal Park Pico de Orizaba in de Mexicaanse staat Puebla. Het bestaat uit meer dan 300 enorme watertanks die wachten op cascades van deeltjes die worden geïnitieerd door hoogenergetische pakketten licht, gammastralen genaamd, waarvan vele meer dan 10 miljoen keer de energie van een tandheelkundige röntgenfoto hebben.

Wanneer deze gammastralen inslaan in de bovenste atmosfeer, ze blazen atomen in de lucht uiteen, waardoor een regen van deeltjes ontstaat die met bijna de lichtsnelheid naar de grond beweegt. Wanneer deze regen de tanks van HAWC bereikt, het produceert gecoördineerde flitsen van blauw licht in het water, waardoor onderzoekers de energie en kosmische oorsprong konden reconstrueren van de gammastraling die de cascade op gang bracht.

"Dankzij het brede gezichtsveld, HAWC biedt unieke metingen van de zeer energierijke gammastraalprofielen die worden veroorzaakt door de deeltjesdiffusie rond nabijgelegen pulsars, waarmee we kunnen bepalen hoe snel de deeltjes directer diffunderen dan eerdere metingen, " zegt Hao Zhou, een wetenschapper aan het Los Alamos National Laboratory in New Mexico en een corresponderende auteur van het nieuwe artikel.

Het is mogelijk dat een nieuw inzicht in de astrofysica van deze pulsars en hun lokale omgeving de positronenovermaat op aarde kan verklaren, maar het zou een ingewikkelder theorie van positrondiffusie vereisen dan natuurkundigen in de samenwerking waarschijnlijk denken. Anderzijds, donkere materie kan de juiste verklaring bieden, maar uiteindelijk zal er meer bewijs nodig zijn om te beslissen.