In een artikel dat vandaag in het tijdschrift is gepubliceerd: Wetenschap , de Pierre Auger Collaboration heeft definitief de vraag beantwoord of kosmische deeltjes van buiten het Melkwegstelsel. Het artikel, getiteld "Observatie van een grootschalige anisotropie in de aankomstrichtingen van kosmische stralen boven 8 × 1018 eV", merkt op dat het bestuderen van de verdeling van de aankomstrichtingen van de kosmische straling de eerste stap is om te bepalen waar extragalactische deeltjes vandaan komen.

De samenwerkende wetenschappers konden hun opnamen maken met behulp van het grootste observatorium voor kosmische straling dat ooit is gebouwd, het Pierre Auger Observatorium in Argentinië. Inbegrepen in deze samenwerking zijn David Nitz en Brian Fick, professoren in de natuurkunde aan de Michigan Technological University.

"We zijn nu aanzienlijk dichter bij het oplossen van het mysterie van waar en hoe deze buitengewone deeltjes worden gemaakt, een kwestie van groot belang voor astrofysici, " zegt Karl-Heinz Kampert, een professor aan de Universiteit van Wuppertal in Duitsland en woordvoerder van de Auger Collaboration, waarbij meer dan 400 wetenschappers uit 18 landen betrokken zijn.

Kosmische stralen zijn de kernen van elementen van waterstof tot ijzer. Door ze te bestuderen, krijgen wetenschappers een manier om materie van buiten ons zonnestelsel te bestuderen - en nu, buiten onze melkweg. Kosmische straling helpt ons de samenstelling van sterrenstelsels te begrijpen en de processen die plaatsvinden om de kernen te versnellen tot bijna de lichtsnelheid. Door kosmische straling te bestuderen, wetenschappers kunnen gaan begrijpen welke mechanismen de kernen creëren.

Astronoom Carl Sagan zei ooit:"De stikstof in ons DNA, het calcium in onze tanden, het ijzer in ons bloed, de koolstof in onze appeltaarten is gemaakt in het interieur van instortende sterren. We zijn gemaakt van sterrenstof."

Simpel gezegd, het begrijpen van kosmische straling en waar ze vandaan komen, kan ons helpen fundamentele vragen over de oorsprong van het universum te beantwoorden, onze melkweg en onszelf.

Ongelooflijk energiek en verre reizend

Het is uiterst zeldzaam dat kosmische straling met een energie van meer dan twee joule de aarde bereikt; de snelheid van hun aankomst aan de top van de atmosfeer is slechts ongeveer één per vierkante kilometer per jaar, het equivalent van één kosmische straal die ongeveer één keer per eeuw een gebied ter grootte van een voetbalveld raakt.

Een joule is een maat voor energie; één joule is gelijk aan één 3, 600ste van een wattuur. Wanneer een enkel kosmisch straaldeeltje de atmosfeer van de aarde raakt, die energie wordt binnen een paar miljoenste van een seconde afgezet.

Zulke zeldzame deeltjes zijn detecteerbaar omdat ze een stortvloed aan elektronen creëren, fotonen en muonen door opeenvolgende interacties met de kernen in de atmosfeer. Deze buien verspreiden zich, met de snelheid van het licht door de atmosfeer vegen in een schijfachtige structuur, als een gigantisch bord, enkele kilometers in doorsnee. Ze bevatten meer dan 10 miljard deeltjes.

Bij het Pierre Auger Observatorium, kosmische straling wordt gedetecteerd door het Cherenkov-licht te meten - elektromagnetische straling die wordt uitgezonden door geladen deeltjes die door een medium gaan, zoals water, groter is dan de fasesnelheid van het licht in dat medium. Het team meet het Cherenkov-licht geproduceerd in een detector, dat is een grote plastic structuur die 12 ton water bevat. Ze pikken een signaal op in een paar detectoren binnen een array van 1, 600 detectoren.

De detectoren zijn verdeeld over 3, 000 vierkante kilometer nabij de stad Malargüe in het westen van Argentinië, een gebied dat qua grootte vergelijkbaar is met Rhode Island. De tijden van aankomst van de deeltjes bij de detectoren, gemeten met GPS-ontvangers, worden gebruikt om de richting te bepalen waaruit de deeltjes binnen ongeveer één graad kwamen.

Door de verdeling van de aankomstrichtingen van meer dan 30 te bestuderen, 000 kosmische deeltjes, de Auger Collaboration heeft een anisotropie ontdekt, wat het verschil is in de snelheid van aankomst van kosmische straling, afhankelijk van in welke richting je kijkt. Dit betekent dat de kosmische stralen niet uniform uit alle richtingen komen; er is een richting van waaruit het tarief hoger is.

De anisotropie is significant bij 5,2 standaarddeviaties (een kans van ongeveer twee op tien miljoen) in een richting waar de verdeling van sterrenstelsels relatief hoog is. Hoewel deze ontdekking duidelijk wijst op een extragalactische oorsprong voor de deeltjes, de specifieke bronnen van de kosmische straling zijn nog onbekend.

De richting wijst eerder naar een breed hemelgebied dan naar specifieke bronnen, omdat zelfs zulke energetische deeltjes in het magnetische veld van onze melkweg enkele tientallen graden worden afgebogen.

Er zijn kosmische straling waargenomen met een nog hogere energie dan gebruikt in de Pierre Auger Collaboration-studie, sommige zelfs met de kinetische energie van een goed geslagen tennisbal. Aangezien de doorbuiging van dergelijke deeltjes naar verwachting kleiner zal zijn vanwege hun hogere energie, de aankomstrichtingen moeten dichter bij hun geboorteplaats wijzen. Dergelijke kosmische straling is nog zeldzamer en er wordt verder onderzoek gedaan om vast te stellen welke extragalactische objecten de bronnen zijn.

Kennis van de aard van de deeltjes zal deze identificatie helpen, en voortzetting van het werk aan dit probleem is gericht op de upgrade van het Auger Observatory die in 2018 moet worden voltooid.

Er is een (wereldwijd) dorp voor nodig

Het uitvoeren van dit kaliber van wetenschap is niet de taak van één persoon. Meer dan 400 wetenschappers hebben bijgedragen aan het onderzoek. Bij Michigan Tech, David Nits, hoogleraar natuurkunde, draagt ​​bij aan de elektronica die de signalen in de watertanks registreert. Hij heeft de code geschreven die in de circuits is geprogrammeerd, die het Cherenkov-licht in de watertankdetectoren omzet in digitale signalen. Hierdoor kan de hardware zeer snel beslissingen nemen over de signalen die in de tanks zijn opgenomen en of ze verdere analyse waard zijn.

"Ik geniet echt van dit soort wetenschap. Maar ik ben een hands-on man, " zegt Nitz. "Ik visualiseer hoe we van concept naar het daadwerkelijk bouwen van een instrument gaan, zodat we die wetenschap kunnen aanpakken. Dat is wat ik al mijn hele wetenschappelijke carrière doe:antwoorden op hoe pakken we het maken van die metingen aan."

Een deel van de upgrade naar het Auger Observatory is om oudere printplaten te vervangen door nieuwere die beter in staat zijn om signalen sneller en nauwkeuriger te verwerken, en de signalen van extra detectoren opnemen. Deze extra detectoren omvatten een scintillatordetector boven elke oppervlaktedetector, en het toevoegen van een vierde fotovermenigvuldigerbuis aan elke detector.