De Krabnevel heeft zojuist de aarde beschoten met de meest energierijke fotonen ooit opgenomen

Krabnevel NASA

Het Tibetaanse plateau is een uitgestrekte, verhoogde vlakte, bijna vijf kilometer boven de zeespiegel, ook wel het dak van de wereld genoemd. Het wordt in het zuiden begrensd door 's werelds hoogste bergketen en in het noorden door woestijngebieden. Het is een van de meest geïsoleerde plekken op aarde.

Maar de extreme hoogte maakt het een nuttige plek voor wetenschappers. In 1990 bouwden ze hier een observatorium om de buien van subatomaire deeltjes te bestuderen die vanuit de bovenste atmosfeer naar beneden regenen wanneer het wordt geraakt door een hoogenergetische kosmische straal. Dit werk kan beter op grote hoogte worden gedaan omdat er minder atmosfeer is om de deeltjes te absorberen.

Sindsdien heeft de zogenaamde Tibet Air Shower Array enorme aantallen hoogenergetische kosmische straling geregistreerd, deeltjes versneld tot enorme energieën door astrofysische verschijnselen zoals supernova's, actieve galactische kernen en mysterieuze, nog niet geïdentificeerde bronnen.

Maar de array vangt ook luchtdouches op die worden veroorzaakt door een andere bron: hoogenergetische fotonen. Deze mysterieuze fotonen worden ook gecreëerd door astrofysische verschijnselen zoals de interactie tussen hoogenergetische deeltjes en de kosmische microgolfachtergrond. Hierdoor kunnen ze een uniek inzicht geven in deze processen en de omgevingen waarin ze plaatsvinden.

In de loop der jaren heeft de Tibet Air Shower Array veel van deze fotonen gespot met energieën tot tientallen tera-elektronvolts (TeV 1012). Dat is ongeveer gelijk aan de fotonen met de hoogste energie die op aarde kunnen worden gecreëerd. Maar niemand heeft ooit krachtigere fotonen waargenomen.

Tot nu. Vandaag zeggen onderzoekers van de Tibet Air Shower Gamma Collaboration dat ze voor het eerst fotonen hebben waargenomen met energieën van meer dan 100 TeV, waaronder een opmerkelijk foton met een energie van bijna 500 TeV. Dit enkele foton heeft ongeveer dezelfde energie als een vallende pingpongbal en is het foton met de hoogste energie dat ooit is geregistreerd.

De samenwerking heeft ook uitgezocht waar deze fotonen vandaan komen: de Krabnevel, de overblijfselen van een supernova die voor het eerst werd waargenomen in 1054 na Christus in de Perseus-arm van de Melkweg, zo'n 6.500 lichtjaar van de aarde.

In het midden van deze nevel bevindt zich een pulsar, een neutronenster die met een snelheid van 30 keer per seconde ronddraait en elektromagnetische pulsen uitzendt over een breed scala aan frequenties. Hoewel de Krabnevel niet zichtbaar is voor het blote oog - hij is ongeveer even helder als Saturnusmaan Titan - is het de helderste bron aan de nachtelijke hemel van röntgen- en gammastralen met energieën van meer dan 30 KeV.

Dat maakt het van groot belang voor astronomen. Een vraag die hen fascineert, is hoe energetisch deze fotonen kunnen worden en wat de verdeling van fotonenergieën hen vertelt over de omstandigheden in de nevel.

Men denkt dat fotonen van deze energie worden gecreëerd door een proces dat bekend staat als inverse Compton-verstrooiing. Dit gebeurt wanneer een hoogenergetisch deeltje zijn energie overdraagt ​​aan een foton. In het geval van de Krabnevel zijn de hoogenergetische deeltjes waarschijnlijk elektronen en protonen die worden versneld door schokgolven in de krachtige magnetische velden die de pulsar omringen. Dit geeft ze energieën in het sub-petaelectronvolt (1015) bereik.

Ter vergelijking: de Large Hadron Collider, 's werelds krachtigste deeltjesversneller, heeft een botsingsenergie van 14 TeV.

Deze deeltjes dragen vervolgens hun energie over aan fotonen die overblijven van de oerknal, de kosmische microgolfachtergrond, waardoor ze honderden TeV krijgen. Dit zijn de fotonen die worden gedetecteerd door de Tibet Air Shower Array. Dit is de eerste detectie van fotonen met de hoogste energie van meer dan 100 TeV van een astrofysische bron, en opent dus het sub-PeV-venster in de astronomie, zeggen ze.

Dit onthult precies wat voor soort omstandigheden er in de nevel moeten zijn. Het onthult met name de grootte van de schokgolven die door het magnetische veld gaan. En dat werpt weer enig licht op de processen die deze schokgolven moeten genereren.

Verschillende theorieën voorspellen een grens aan de energie die fotonen op deze manier kunnen winnen. Maar de Tibetaanse samenwerking heeft daar tot nu toe geen spoor van gevonden. Het kan zijn dat op deze manier fotonen met exaelektronvolts (1018) worden geproduceerd. In dat geval zou een enkel foton de energie hebben van een luchtgeweerkogel. In 1991 maten natuurkundigen een kosmische straal met een energie van 300 EeV, het zogenaamde Oh-My-God-deeltje, het deeltje met de hoogste energie ooit gemeten.

Maar eerst is er meer bewijs nodig van de Tibetaanse samenwerking en andere groepen om astrofysische theorieën te verfijnen over wat er precies gebeurt in deze meest extreme omgevingen in het universum.

Referentie: https://arxiv.org/abs/1906.05521 : Eerste detectie van fotonen met energie van meer dan 100 TeV uit een astrofysische bron

zich verstoppen