"Toegangspoort naar donkere sector van heelal": extreem hoge straling uit kosmos stelt wetenschappers voor raadsel

Beeld je eens een deeltje in met het hoogste energieniveau dat we hier op Aarde kunnen maken met een deeltjesversneller, bijvoorbeeld die van het CERN in Zwitserland. Een elektron of een atoomkern propvol energie. En beeld je dan eens een deeltje in met miljoenen keren die energie.

Precies dat is op 27 mei 2021 neergekomen op onze Aarde vanuit de ruimte. Stel het je voor als een baksteen die je van aan je middel op je teen laat vallen - maar dan al die energie samengebald in één piepkleine elektron. Het werd opgemerkt door detectoren van de Telescope Array in de woestijn van Utah. De vondst is beschreven in het wetenschappelijke tijdschrift Science. De wetenschappers doopten het deeltje het Amaterasu-partikel, naar de Japanse zonnegodin.

Dat zoiets gebeurd is, is op zich al hoogst uitzonderlijk. De vorige keer dat er een deeltje met zo veel energie op Aarde neerkwam, was in 1991. Het zogenaamde "Oh-My-God-partikel" haalde 32 jaar geleden zelfs 320 exa-elektronvolt. Dit Amaterasu-partikel is het op één na hoogst energetische deeltje dat ooit is waargenomen.

"Toen ik deze kosmische straal met ultrahoge energie ontdekte, dacht ik eerst dat er een fout moest zijn gemaakt", herinnert Toshihiro Fujii zich, professor aan de Osaka Metropolitan University. "Het vertoonde een energieniveau dat we in de laatste drie decennia niet meer gezien hebben."

Maar wat het mysterie nog groter maakt, is dat niemand weet waar het Amaterasu-partikel vandaan komt. 

Eerst even dit. Dat er deeltjes vanuit het heelal neerregenen op onze planeet, is niet uitzonderlijk. Integendeel zelfs. We worden voortdurend blootgesteld aan kosmische straling. De zon zendt bijvoorbeeld ook straling uit. Maar die wordt in de atmosfeer afgebroken tot kleinere partikels, tot je een soort van deeltjes-douche krijgt. Het noorderlicht is precies dat: deeltjes uit de kosmos die op luchtmoleculen in onze atmosfeer botsen. 

Het Amaterasu-partikel is van een heel andere orde. Het is zo extreem hoogenergetisch dat astronomen voor een raadsel staan. Wat kan die straling opgewekt hebben?

Het voordeel aan een deeltje met zo veel energie, is dat zijn baan veel minder snel afgebogen wordt door magnetische velden in het heelal. Daardoor kan je het traject van het Amaterasu-partikel gemakkelijk reconstrueren, en "afstappen" tot aan het beginpunt. Alleen leidt het spoor van het deeltje terug tot in de zogenaamde Lokale Leegte. Dat is een enorm gebied vlak naast de Melkweg waar niets lijkt te zijn. Nochtans ontstaan zulke extreem hoogenergetische deeltjes normaal bij kosmische explosies, gewelddadige evenementen die nog veel groter zijn dan de explosie van een ster. In de plaats van een grote leegte verwacht je dus eigenlijk iets enorm.

Maar hoe kan dat? Komt het deeltje dan toch van veel verder dan gedacht? Is het sterker afgebogen dan verwacht? Of zit er toch iets in die Lokale Leegte dat we (nog) niet kunnen zien?

Net dat mysterie maakt het voor astronomen zo interessant. "We begrijpen het niet. En alles wat we niet begrijpen, daar zijn we nieuwsgierig naar", lacht astronoom Leen Decin van de KU Leuven (die niet bij het onderzoek betrokken was). "We weten niet waar deze hoogenergetische stralen vandaan komen. Ze zijn een soort van kosmische boodschappers."

En dus bedenken astronomen wereldwijd hypotheses over de oorsprong van het Amaterasu-partikel. 

"Ik denk in de richting van supermassieve zwarte gaten", zegt Decin. Voor zo'n supermassief zwart gat is er wel een zonnestelsel nodig, "en ik weet dat er in de richting waar het deeltje vandaan komt, geen sterrenstelsels zijn. Maar zo'n deeltje kan héél ver reizen." Misschien zelfs zo ver dat we de bron met de huidige telescopen nog niet kunnen waarnemen.

Ook de kosmoloog Thomas Hertog (KU Leuven), die nog samenwerkte met Stephen Hawking, denkt in de richting van "grote roterende zwarte gaten die zich in de centra van verre melkwegstelsels bevinden en materie opslokken, waarbij het kan gebeuren dat deeltjes extreem versneld worden".

Blijft de vraag: waarom zien we die bron van die straling dan niet? Misschien omdat we ze niet herkennen. "Misschien gaat het om een nieuw soort van deeltje dat nog niet bestaat in ons standaardmodel, dat we met de huidige fysica nog niet kunnen doorgronden", denkt Decin.

"Het heelal zit tjokvol donkere materie die niet bestaat uit deeltjes als elektronen en protonen die we kennen", legt Hertog uit. "Die donkere materie gehoorzaamt niet aan de vertrouwde kernkrachten, maar aan andere nog onbekende krachten. We weten dat die materie bestaat, we kennen immers het effect ervan op de zwaartekracht, maar we hebben nog nooit deeltjes donkere materie kunnen maken op Aarde, laat staan zien."

En er zit veel donkere materie in het heelal. Zéér veel. "Een vierde van de inhoud van het heelal is donkere materie. De zichtbare materie is slechts goed voor een twintigste. Dat is dus een serieus hiaat." (De overschot is overigens de hypothetische donkere energie die zorgt voor de versnelling van het uitdijen van het universum, maar dat terzijde.)

"En dat maakt deze ontdekking ook zo boeiend. Het is een van de pistes om als het ware een toegangspoort te vinden naar die donkere sector van het heelal."

Maar misschien is het nog iets helemaal anders. Misschien is er niet één mysterieuze bron. Zulke extreem hoogenergetische deeltjes "lijken van totaal verschillende plekken in de lucht te komen", zegt professor John Belz van de Universiteit van Utah, die meewerkte aan het onderzoek. "Het zouden ook defecten kunnen zijn in de structuur van de ruimtetijd, of kosmische snaren die botsen. Ik ben maar wat gekke ideeën aan het spuien die mensen nu bedenken. Want er is geen conventionele verklaring."