Ultrahoge energiedeeltjes uit de kosmos produceren een ongewoon radiolicht



Een groep astrofysici heeft eerder deze week met LOPES, een voorloper van de radioteles¬coop LOFAR die ultrahoge energiedeeltjes uit de kosmos kan detecteren, ongekend snelle en heldere kosmische radioflitsen geregistreerd. Het tijdschrift Nature besteedt deze week aandacht aan deze tot dusver nauwelijks waargenomen kosmische lichtflitsen die bijna een miljoen keer sneller dan normale bliksem en ruim 1000 keer helderder dan de zon lijken te zijn. Heel even waren deze flitsen, met een doorsnede van tweemaal die van de maan, het helderste licht aan het firmament.

Het experiment toont aan dat de radioflitsen in de aardse atmosfeer worden geproduceerd en worden veroorzaakt door de inslag van kosmische deeltjes met een ultrahoge energetische waarde. Deze deeltjes wordt aangeduid met de term ultrahoge kosmische energiestraling en hun oorsprong is een puzzel die nog steeds moet worden opgelost. De hoop van de astrofysici is nu dat hun ont¬dekking nieuw licht zal laten schijnen op het mysterie van deze deeltjes.

De wetenschappers maakten gebruik van een reeks aaneengeschakelde radio-antennes binnen een veld van deeltjesdetectoren van het KASCADE Grande-experiment van het Forschungs¬zentrum in Karlsruhe (D). Zij toonden aan dat bij elk kosmisch deeltje dat in de aardse atmosfeer belandt, een overeenkomstige radiopuls in de richting van het binnenko¬mende deeltje kon worden geregistreerd. Met behulp van astronomische visualisatie¬technie¬ken heeft de groep zelfs digitale filmbeelden van deze gebeurtenissen kunnen maken, die nu de snelste filmpjes binnen de radioastronomie zijn. De deeltjesdetectoren leverden de astro¬nomen de basis¬informatie over de binnenkomende kosmische straling.

De onderzoekers bleken in staat om te bewijzen dat de sterkte van het uitgezonden radio¬signaal een directe maatstaf is voor de energie van de kosmische straling. "Het is verbazing¬wekkend dat wij met simpele FM-radioantennes de energie van enkele van de kleinste deeltjes uit de kos¬mos kunnen meten", vertelt Prof. Heino Falcke van het radioastronomisch onderzoeks¬instituut ASTRON en bijzonder hoogleraar aan de Radboud Universiteit Nijmegen, de initiator en supervisor van het experiment. "Als onze ogen radiostraling zouden kunnen waarnemen, zouden wij zien dat de hemel bezaaid is met radioflitsen", voegt hij eraan toe.

Als detectoren gebruikten de wetenschappers antenneparen die vergelijkbaar zijn met die van gewone FM-radioontvangers. "Het belangrijkste verschil met normale radio's is gelegen in het feit dat gebruik gemaakt wordt van digitale electronica en breedbandontvangers, waarmee wij op vele frequenties tegelijkertijd kunnen luisteren", legt natuurkundige Dipl. Phys. Andreas Horneffer. Dhr Horneffer is postdoctoraal student aan de Radboud Universiteit Nijmegen en heeft de antennes als onderdeel voor zijn doctoraalproject in Bonn geinstalleerd.

In principe zijn enkele van de waargenomen radioflitsen sterk genoeg om ervoor te zorgen dat de conventionele radio- en televisieontvangst voor een korte periode worden onderbroken. Ter demonstratie van dit effect heeft de groep hun radioontvangst van kosmische straling in een geluidsopname ge¬converteerd (zie onder). Daar de lichtflitsen slechts 20-30 nanose¬conden duren en heldere slechts één maal per dag voorkomen, zullen deze in het dagelijkse leven nauwelijks worden herkend.

Het experiment heeft eveneens aangetoond dat de sterkte van de radioemissie afhangt van de oriëntatie van het aardmagnetisch veld. Het is één van de resultaten die de basis voorspellingen van theoretische rekenmodellen van Prof. Falcke en een andere doctoraal¬student, Tim Huege, en Prof. Peter Gorham van de Universiteit van Hawaii bevestigen.

Voortdurend vindt er een bombardement van kosmische stralingsdeeltjes op aarde plaats, die kleine explosies van elementaire deeltjes veroorzaken; een stroom materiedeeltjes en anti-materiedeeltjes flitsen door de atmosfeer. De deeltjes met de lichtste lading in deze stroom, electronen en positronen, worden weerkaatst door het geomagnetische veld van de aard, waardoor deze radiostraling uitzenden. Dit type radiostraling is in principe zeer bekend door de deeltjesversnellers op aarde en wordt synchrotrone radiostraling genoemd. Vanwege de interactie met het aardmagnetisch veld spreken spreken astrofysici nu, analoog hieraan, van "geosynchrotron straling".

De radioflitsen zijn gedetecteerd door de LOPES-telescoop die is opgesteld in het kader van het KASCADE Grande-experiment voor kosmische deeltjesregens van het Forschungs¬zentrum Karlsruhe, (D). KASCADE Grande is een toonaangevend experiment voor de meting van kosmische straling.

De radiotelescoop LOPES (LOFAR Prototype Station) maakt gebruik van de prototype-anten¬nes van de grootste radiotelescoop ter wereld, LOFAR , die vanaf 2006 in Neder¬land en delen van Duitsland zal worden gebouwd. Het ontwerp van LOFAR breekt met alle tradities: een grote hoeveelheid goedkope lage-frequentie antennes ontvangt alle kosmische radiosignalen tegelijkertijd. De supercomputer Blue Gene/L van IBM, aangesloten op het uiterst snelle glasvezel¬internet, heeft dan de mogelijkheid om ongewone signalen te detecteren en afbeeldingen te maken van belangwekkende hemelsectoren zonder dat hier mechanische onderdelen aan te pas komen. "Met LOPES wordt duidelijk dat de eerste belangrijke wetenschappelijke resultaten van het LOFAR-project al tijdens de ontwikkelingsfase zijn te zien. Wij hebben er alle vertrouwen in dat LOFAR inderdaad zo revolutionair zal zijn als wij hoopten.", legt Prof. Harvey Butcher, directeur van het radioastronomisch onderzoeksinstituut ASTRON te Dwingeloo (NL) uit, waar LOFAR momenteel wordt ontwikkeld.

"Dit is inderdaad een ongewone combinatie, waarbij kernfysici en radioastronomen samen¬werken om een uniek en zeer origineel natuurkundig astrodeeltjesexperiment tot stand te brengen", verklaart dr. Anton Zensus, directeur van het Max Planck Instituut voor Radio¬astronomie (MPIfR) in Bonn, waar het initiatief werd genomen tot het experiment. "Het plaveit de weg voor nieuwe detectiemethoden voor deeltjesfysica en toont eveneens aan welke adembenemende mogelijkheden de nieuwe generatie telescopen zoals LOFAR en in later instantie het Square Kilometre Array (SKA) hebben. Plots komen belangrijke internationale experimenten in verschillende wetenschappelijke disciplines bij elkaar."

De astrofysici willen als volgende stap het komende LOFAR-array in Nederland en Duitsland voor onderzoek naar kosmische straling gebruiken en LOFAR-achtige radioantennes bij het enorm uitgebreide experiment naar kosmische straling, genaamd "AUGER", in Argentinië inzetten. De groep hoopt de nieuwe techniek te kunnen toepassen voor de detectie en het begrijpen van de aard van de ultrahoge energetische kosmische straling en daarenboven ook de ongrijpbare ultrahoge energetische neutrino's te kunnen detecteren.

De ontdekking is deels bevestigd door een Franse groep die hiertoe de grote radiotelescoop van het Parijse observatorium te Nançay heeft gebruikt. Vanuit historisch perspectief dateert het onderzoek naar radioemissie van kosmische straling uit de late jaren '60. In die tijd werden de eerste claims gelegd dat deze straling werd gedetecteerd. Met de toenmalige stand van de technologie kon echter geen bruikbare informatie worden verzameld, zodat het onderzoek al vlug gestaakt werd en er twijfels rezen rondom de resultaten. De belangrijkste tekortkomingen waren het gebrek aan mogelijkheden tot visualisatie, de lage tijdsresolutie en het gebrek aan een goed-gekalibreerde detector-array. Al deze tekortkomingen zijn met het LOPES-experiment overwonnen.

bron:Astron



Comments are closed.
%d bloggers liken dit: