Extreem krachtige kosmische stralen regenen op ons neer. Niemand weet waar ze vandaan komen.

Je denkt misschien dat de grootste, meest verbijsterende mysteries van het heelal ver daarbuiten bestaan, aan de rand van een zwart gat, of binnenin een exploderende ster.

Nee, grote mysteries van het heelal omringen ons, de hele tijd. Ze dringen zelfs tot ons door, dwars door ons lichaam heen. Eén zo’n mysterie is kosmische straling, gemaakt van kleine stukjes atoom. Deze stralen, die op dit moment door ons heen gaan, zijn niet schadelijk voor ons of enig ander leven op het aardoppervlak.

Maar sommige stralen hebben zoveel energie dat natuurkundigen zich afvragen welk object in het heelal ze zou kunnen hebben gemaakt. Vele zijn veel te krachtig om van onze zon afkomstig te zijn. Vele zijn veel te krachtig om afkomstig te zijn van een exploderende ster. Omdat kosmische stralen vaak niet in een rechte lijn reizen, weten we niet eens waar in de nachtelijke hemel ze vandaan komen.

Het antwoord op het mysterie van de kosmische stralen zou te maken kunnen hebben met objecten en natuurkundige verschijnselen in het heelal die niemand ooit eerder heeft gezien of geregistreerd. En natuurkundigen hebben verschillende enorme experimenten over de hele wereld lopen om de zaak te ontrafelen.

Hoewel we niet weten waar ze vandaan komen, of hoe ze hier komen, kunnen we zien wat er gebeurt als deze kosmische stralen de atmosfeer van onze planeet raken met bijna de snelheid van het licht.

Kosmische stralen zijn boodschappers van het bredere universum; een herinnering dat we er deel van uitmaken, en een herinnering dat er nog steeds veel mysterie is daarbuiten. Laten we deze verbazingwekkende deeltjes, die vanuit de verte op de aarde regenen, eens van dichtbij bekijken.

Botsend in onze atmosfeer

Wanneer de deeltjes in kosmische stralen botsen met de atomen in de top van de atmosfeer, barsten ze uit elkaar, waarbij atomen in een gewelddadige botsing uit elkaar worden gerukt. De deeltjes van die explosie blijven vervolgens andere stukjes materie uiteenscheuren, in een sneeuwballende kettingreactie. Een deel van deze atoomscherven komt zelfs op de grond terecht.

Het is mogelijk om dit in actie te zien door een zogenaamde wolkenkamer te bouwen van een glazen pot, vilt, droog ijs, en isopropylalcohol (d.wrijfalcohol). Je dompelt het vilt in de alcohol, en het droogijs (dat een superkoude vaste kooldioxide is) koelt de alcoholdamp af, die uit het vilt naar beneden stroomt. Zo ontstaat een wolk van alcoholdamp.

In deze kamer kun je de kosmische straling zien, vooral die van een deeltje dat muon heet. Muonen zijn als elektronen, maar een beetje zwaarder. Elke vierkante centimeter van de aarde op zeeniveau, dus ook de ruimte boven uw hoofd, wordt elke minuut door een muon geraakt.

Zoals elektronen hebben muonen een negatieve lading. Als de muonen door de alcoholwolk razen, ioniseren (laden) zij de lucht waar zij doorheen gaan. De lading in de lucht trekt de alcoholdamp aan, en die condenseert in druppels. En die druppels volgen de weg die de kosmische stralen door de kamer hebben afgelegd.

Als je de paden van de muonen ziet, denk dan hier eens aan: Deze subatomaire deeltjes razen met 98 procent van de lichtsnelheid naar de aarde.

Zo snel dat ze de tijddilatatie ondergaan die Einsteins speciale relativiteitstheorie voorspelt. Ze worden verondersteld te vervallen – d.w.z. uiteen te vallen in kleinere componenten, elektronen en neutrino’s – in slechts 2,2 microseconden, wat zou betekenen dat ze nauwelijks 2.000 voet naar beneden komen vanaf de top van de atmosfeer voordat ze sterven. Maar omdat ze zo snel bewegen ten opzichte van ons, verouderen ze 22 keer zo langzaam. (Iets soortgelijks gebeurde met Matthew McConaughey’s personage in de film Interstellar, toen hij zijn relatieve snelheid opvoerde in de buurt van een zwart gat.)

Als Einstein’s theorie niet waar was, zouden we geen muonen in de wolkenkamer zien. Gelukkig zijn ze ongevaarlijk, omdat ze zo snel bewegen dat ze niet de tijd hebben om je lichaam een klap toe te brengen. Wetenschappers kunnen met muonen coole dingen doen, zoals ze gebruiken om de binnenkant van de Grote Piramide in Egypte te fotograferen.

Bedenk dat deze stralen mogelijk zijn voortgestuwd door krachten van buiten ons zonnestelsel, door krachten die geen enkele natuurkundige begrijpt. Dat is ronduit ontzagwekkend.

“Onze theoretische natuurkundige collega’s zijn verbijsterd” over hoe deze deeltjes van energie worden voorzien, zegt Charles Jui, een natuurkundige aan de Universiteit van Utah die op jacht is naar kosmische straling. “

Kosmische stralen, uitgelegd

Het mysterie van de kosmische stralen begon met hun ontdekking in 1912. Toen maakte de natuurkundige Victor Hess een tochtje in een heteluchtballon en ontdekte hij dat de hoeveelheid straling in de atmosfeer toeneemt naarmate je hoger komt.

Hij zat in de ballon om zijn experiment te isoleren van straling. Maar hogerop was het alleen maar lawaaieriger. Daaruit concludeerde hij dat de straling uit de ruimte kwam, en niet van radioactiviteit uit gesteente op aarde.

Hij maakte deze ballonvaart ook tijdens een totale zonsverduistering. Omdat de maan de zon tegenhield, zou de kosmische straling van de zon weggefilterd moeten zijn. Maar hij registreerde toch nog wat. Dat bracht hem tot het inzicht dat de straling niet van de zon kwam, maar van dieper in de ruimte. Zijn ontdekking van de kosmische straling leverde hem in 1936 de Nobelprijs voor natuurkunde op.

Het meest energierijke kosmische-straaldeeltje dat ooit is waargenomen, het “Oh-Mijn-God”-deeltje genaamd, was zo’n 2 miljoen keer energieker dan het meest opgevoerde proton dat door de Large Hadron Collider, ’s werelds krachtigste deeltjesversneller, wordt voortgestuwd.

Die energie, legt Antonella Castellina, een Italiaanse astrofysicus bij het Pierre Auger Observatorium, uit, is vergelijkbaar met die van een toptennisprof die een bal met al zijn kracht tegen de grond slaat. Dat klinkt niet als veel. Maar stel je voor al die energie samengeperst in een gebied kleiner dan een atoom – dat is extreem. Het is genoeg kracht om een gloeilamp een seconde of langer te laten branden. “Niemand weet wat in het heelal in staat is om een subatomair deeltje zo’n energie te geven,” zegt ze.

Meer dan dat, wetenschappers zijn verbijsterd over hoe zo’n deeltje zelfs maar de aarde kan bereiken. Men denkt dat deeltjes met zo’n waanzinnig hoge energie een wisselwerking hebben met de straling die is overgebleven van de oerknal en het ontstaan van het heelal, die hen zou moeten uitschakelen voordat ze ons bereiken.

Waar het “Oh-Mijn-God”-deeltje en soortgelijke krachtige kosmische stralen vandaan komen, is een compleet, verbijsterend mysterie. (Je zou kunnen denken, waarom noemen we deze deeltjes “stralen”? Het is een beetje een verkeerde benaming die is blijven hangen toen ze een eeuw geleden werden ontdekt. Ze worden ook wel “astrodeeltjes” genoemd. Maar kosmische stralen klinkt cooler, dus houden we het daar maar op.)

Kosmische stralen zijn 100 jaar geleden ontdekt. Dus u denkt misschien: Waarom weten we niet wat deze kosmische stralen op ons afschiet?

Wel, we weten dat sommige kosmische stralen van de zon komen. Maar de sterkste, de meest mysterieuze, komen van heel ver weg in het melkwegstelsel en het heelal.

Het probleem bij het zoeken naar de bronnen van deze kosmische straling met zeer hoge energie is dat de straling niet altijd in een rechte lijn gaat. De verschillende magnetische velden van het melkwegstelsel en het heelal buigen ze af en laten ze kronkelige paden volgen.

Veel van de kosmische stralen die de aarde raken – vooral die van onze zon – worden door het magnetische veld van de aarde afgebogen naar de polen. Daarom hebben we het noorderlicht en het zuiderlicht in de buurt van de polen.

Er zijn een paar grote projecten gaande om beter te begrijpen waar deze kosmische stralen vandaan komen. Bij één daarvan is een enorm blok ijs op de Zuidpool betrokken.

Een enorm blok ijs op de Zuidpool is een reusachtige kosmische-stralendetector

Op de bodem van de wereld is niet veel levends, behalve voor de natuurkundigen. Daar, op de Zuidpool, hebben ze het IceCube Neutrino Observatorium gebouwd, dat rechtstreeks in het ijs onder het oppervlak van de Zuidpool is gesmeed.

Het is een blok van 1 kubieke kilometer (ongeveer 1,3 miljard kubieke meter) kristalhelder ijs, omringd door sensoren. Deze sensoren zijn ingesteld om te detecteren wanneer subatomaire deeltjes genaamd neutrino’s – die samen met andere subatomaire deeltjes in kosmische straling reizen – op de aarde neerstorten.

Hoe het werkt is niet zo verschillend van het wolkenkamerexperiment dat we u hierboven hebben laten zien. Het probeert de weg te volgen die een heel speciaal type kosmische straal – neutrino genaamd – door het observatorium aflegt.

Neutrino’s verschillen op één heel belangrijke manier van de andere componenten van kosmische straling: Ze hebben niet veel interactie met andere materie. Ze hebben geen elektrische lading. Dat betekent dat ze in een relatief rechte lijn door het heelal reizen, en dat we ze naar een bron kunnen traceren.

“Als ik met een zaklamp door een muur schijn, gaat het licht er niet doorheen,” vertelde Naoko Kurahashi Neilson, een deeltjesfysicus aan de Drexel Universiteit. “Dat komt omdat de lichtdeeltjes, de fotonen, een wisselwerking hebben met de deeltjes in de muur en ze kunnen er niet doorheen. Als ik een neutrino zaklamp had, zou die stroom neutrino’s door de muur heen gaan.”

Maar eens in de zoveel tijd zal een neutrino – misschien eens in de 100.000 – een atoom in het ijs van het observatorium raken en het atoom uit elkaar breken.

Dan gebeurt er iets spectaculairs: De botsing produceert andere subatomaire deeltjes, die vervolgens worden voortgestuwd naar een snelheid sneller dan de lichtsnelheid als ze door het ijs gaan.

Je hebt misschien gehoord dat niets sneller dan het licht kan reizen. Dat is waar, maar alleen in een vacuüm. De fotonen waaruit het licht bestaat (een subatomair deeltje op zich), vertragen een beetje wanneer zij door een dichte stof als ijs gaan. Maar andere subatomaire deeltjes, zoals muonen en elektronen, gaan niet langzamer.

Wanneer deeltjes zich sneller dan het licht door een medium als ijs bewegen, gloeien ze op. Dat heet Cherenkov-straling. En het verschijnsel is vergelijkbaar met dat van een sonische dreun. (Als je sneller gaat dan de geluidssnelheid, produceer je een geluidsexplosie.) Als deeltjes sneller bewegen dan het licht, laten ze wervelingen achter van een griezelig blauw licht, zoals een speedboot wervelingen achterlaat in het water. Hier is een tekening van hoe dit alles eruit ziet. De neutrino is de druppelvorm in het grijs.

Andere observatoria die op zoek zijn naar kosmische straling zijn net zo enorm

Het Pierre Auger Observatorium, waar Castellina werkt, gebruikt een serie van 1.600 tanks, elk gevuld met 3.000 gallons water. De tanks zijn verspreid over meer dan 1.000 vierkante kilometer in Mendoza, Argentinië.

De tanks werken als het blok ijs op de Zuidpool. Maar in plaats van ijs gebruiken ze water om kosmische straling te registreren. De tanks zijn pikzwart van binnen. Maar wanneer kosmische stralen – meer dan alleen neutrino’s – de tanks binnenkomen, veroorzaken ze kleine uitbarstingen van licht, via Cherenkov-straling, omdat ze in water de lichtsnelheid overschrijden.

Als veel van de tanks op hetzelfde moment een uitbarsting van kosmische straling registreren, kunnen de wetenschappers terugwerken en de energie achterhalen van het deeltje dat boven in de atmosfeer is ingeslagen. Ze kunnen ook een ruwe schatting maken van waar in de lucht het deeltje vandaan is geschoten.

Op het noordelijk halfrond staat een soortgelijk experiment in Utah, de zogenoemde telescoop-array. Net als de tanks in Zuid-Amerika heeft de array in Utah een reeks detectoren die over een enorm gebied zijn verspreid. Momenteel beslaat het ongeveer 300 vierkante mijl, maar er wordt gewerkt aan een uitbreiding tot 1.200 vierkante mijl. (Hoe groter het gebied, hoe groter de kans om de meest ongrijpbare en krachtige kosmische straling te spotten.)

De detectoren in Utah zijn gemaakt van superhelder acryl plastic, en zijn ondergebracht in units die er een beetje uitzien als ziekenhuisbedden.

Als veel van de detectoren een treffer achter elkaar registreren (denk aan de deeltjes die allemaal rond dezelfde tijd de grond raken als jachtgeweerkorrels op een schietbord), “kun je de richting” reconstrueren waaruit ze kwamen, zegt Jui, de natuurkundige van de Universiteit van Utah die aan de array werkt.

Het observatorium kan ook iets cools doen. Op zeer heldere, donkere nachten in de woestijn van Utah kan het daadwerkelijk de vage sporen van kosmische straling zien oplichten in onze atmosfeer.

“Het idee is dat je de luchtdouche kunt zien ontstaan in de atmosfeer met behulp van ultraviolet camera’s,” zegt Jui. “Dit zijn camera’s die video’s maken, gedurende een paar microseconden, tien beelden per microseconde, en dan kun je de verlengde lijn in de lucht zien, en de energie daarvan meten.”

U kunt helpen bij de zoektocht naar kosmische straling

Met genoeg gegevens over deze hoogenergetische kosmische straling hopen wetenschappers op een dag beter te kunnen bepalen waar in de lucht ze vandaan komen.

Het probleem is dat ze op dit moment gewoon niet genoeg waarnemingen hebben van de krachtigste kosmische stralen.

Het zal enige tijd duren, want de krachtigste kosmische stralen passeren niet al te vaak detectoren: Elke vierkante kilometer van de aarde ziet slechts ongeveer één van deze deeltjes per eeuw. En om rekening te houden met het feit dat deze stralen vaak niet in een rechte lijn reizen, is een berg gegevens nodig.

Maar we hebben al wat aanwijzingen. Het Pierre Auger observatorium heeft enkele (nog niet sluitende) gegevens dat sommige van deze hoogenergetische deeltjes afkomstig zijn van starburst-sterrenstelsels, dat zijn sterrenstelsels waar in een zeer hoog tempo sterren worden gevormd. De groep van Jui heeft geconcludeerd dat ongeveer een kwart van de krachtigste kosmische straling die is waargenomen afkomstig is van een cirkel die ongeveer 6 procent zo groot is als de nachthemel, in de buurt van het sterrenbeeld Big Dipper. Maar dat is een enorm gebied van de ruimte, en er is geen duidelijk rokend pistool in de regio.

Er druppelen steeds meer aanwijzingen binnen. Afgelopen zomer publiceerden wetenschappers van het IceCube-observatorium het opwindende bewijs dat sterrenstelsels, zogeheten blazars, sommige van deze hoogenergetische deeltjes genereren. Blazars hebben superzware zwarte gaten in hun centrum, die materie uiteenrijten in de samenstellende delen, en vervolgens subatomaire deeltjes als een laserkanon de ruimte in schieten.

Hier ziet u een tekening op schaal van een blazar die een straal kosmische straling op de aarde afvuurt.

De huidige resultaten kunnen nog geen verklaring bieden voor de krachtigste kosmische straling die ooit is waargenomen. Ze moeten ook worden herhaald.

Er is ook een mogelijkheid dat sommige stralen worden geproduceerd door krachten en objecten die we nu nog niet kennen – of in wisselwerking staan met mysterieuze dingen zoals donkere materie, op manieren die we nog niet begrijpen. Het zouden buitenaardse wezens kunnen zijn, maar ik betwijfel het.

Wat wetenschappers nodig hebben zijn meer gegevens, meer waarnemingen om de bronnen in de hemel te kunnen aanwijzen waar deze deeltjes vandaan komen.

En binnenkort kun jij ook meedoen aan de zoektocht. Uw telefoon kan worden omgebouwd tot een kosmische stralingsdetector. Daniel Whiteson is een natuurkundige aan de Universiteit van Californië Irvine die heeft gewerkt aan een crowd-sourced kosmische straling project. Het heet Crayfis (Cosmic RAYs Found In Smartphones).

“Het aantal deeltjes dat de atmosfeer raakt met gekke energieën, is echt groot. Het loopt in de miljoenen,” zegt Whiteson. Maar observatoria zoals de Pierre Auger – hoewel enorm – zijn niet groot genoeg om de meeste van hen te zien. “Als we een telescoop kunnen bouwen die groot genoeg is om grote delen van het land te bestrijken, kunnen we heel snel heel veel gegevens verzamelen. De camera in je telefoon werkt omdat fotonen – het subatomaire deeltje waaruit licht bestaat – een sensor aan de achterkant van de lens activeert. Kosmische stralen kunnen de sensor ook activeren. (Af en toe kan een kosmische straal ook een microprocessor verstoren en een computer laten crashen.)

“Als je je telefooncamera met de voorkant naar beneden legt, wordt het grootste deel geblokkeerd, en krijg je een zwart beeld,” legt hij uit. “Maar deeltjes uit de ruimte komen dwars door je telefoon, plafond of muur heen en raken de camera, en laten een spoor achter.”

Het is te hopen dat miljoenen gebruikers de app ’s nachts aan kunnen zetten als ze slapen, en dat hij dan op zoek gaat naar deze kosmische straling. Met genoeg telefoons, hoopt Whiteson, kunnen hij en zijn collega’s een beter beeld krijgen van waar kosmische straling vandaan komt. Het project is nog niet helemaal van de grond gekomen. Maar je kunt je nu al aanmelden om beta-tester te worden als de app klaar is.

Fysici zullen het nog niet snel opgeven. Het bestaan van hoogenergetische kosmische straling vertelt ons dat ons begrip van het heelal jammerlijk incompleet is.

“Dit is een van de meest gewelddadige fenomenen” in het heelal, zegt Jui. Wilt u niet weten wat de oorzaak is?

Bekijk alle verhalen in The Highlight