Extreem krachtige kosmische stralen regenen op ons neer. Niemand weet waar ze vandaan komen.
Maar met grootschalige experimenten zijn wetenschappers over de hele wereld vastbesloten om erachter te komen.
Je zou kunnen denken dat de grootste, meest verbijsterende mysteries van het universum daar ver weg bestaan, aan de rand van een zwart gat, of in een exploderende ster.
Nee, grote mysteries van het universum omringen ons, de hele tijd. Ze doordringen ons zelfs en zeilen dwars door ons lichaam. Een van die mysteries is kosmische straling, gemaakt van kleine stukjes atomen. Deze stralen, die op dit moment door ons heen gaan, zijn niet schadelijk voor ons of voor enig ander leven op het aardoppervlak.
Maar sommigen dragen zoveel energie dat natuurkundigen verbijsterd zijn door welk object in het universum ze zou kunnen hebben gecreëerd. Velen zijn veel te krachtig om van onze zon te komen. Velen zijn veel te krachtig om afkomstig te zijn van een exploderende ster. Omdat kosmische straling zich niet vaak in een rechte lijn voortplant, weten we niet eens waar ze aan de nachtelijke hemel vandaan komen.
De wereld heeft meer verwondering nodig
De onverklaarbare nieuwsbrief leidt je door de meest fascinerende, onbeantwoorde vragen in de wetenschap - en de verbluffende manieren waarop wetenschappers ze proberen te beantwoorden. Schrijf je vandaag in .
Het antwoord op het mysterie van kosmische straling kan betrekking hebben op objecten en fysieke verschijnselen in het universum die niemand ooit eerder heeft gezien of vastgelegd. En natuurkundigen hebben verschillende enorme experimenten over de hele wereld aan de gang die nu zijn gewijd aan het kraken van de zaak.
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 uit het bredere universum; een herinnering dat we er deel van uitmaken, en een herinnering dat er nog steeds veel mysterie is. Laten we eens goed kijken naar deze verbazingwekkende deeltjes, die van ver op de aarde regenen.
Smashing in onze atmosfeer
Wanneer de deeltjes in kosmische straling botsen met de atomen aan de bovenkant van de atmosfeer, barsten ze en verscheuren atomen in een gewelddadige botsing. De deeltjes van die explosie barsten dan steeds andere stukjes materie uit elkaar, in een sneeuwbaleffect kettingreactie. Sommige van deze atomaire granaatscherven raken zelfs de grond.
Het is mogelijk om dit in actie te zien door een zogenaamde wolkenkamer te bouwen uit een glazen pot, vilt, droogijs en isopropylalcohol (d.w.z. ontsmettingsalcohol). Je laat het vilt in de alcohol weken en het droogijs (dat superkoude vaste kooldioxide is) koelt de alcoholdamp af, die uit het vilt stroomt. Dat zorgt voor een wolk van alcoholdamp.
In deze kamer kun je de kosmische straling zien, vooral die van een deeltje dat een muon wordt genoemd. Muonen zijn als elektronen, maar een beetje zwaarder. Elke vierkante centimeter aarde op zeeniveau, inclusief de ruimte bovenaan je hoofd, wordt er door één geraakt muon elke minuut.
Net als elektronen dragen muonen een negatieve lading. Wanneer de muonen door de alcoholwolk ritselen, ioniseren (laden) de lucht waar ze doorheen gaan. De lading in de lucht trekt de alcoholdamp aan en condenseert tot druppeltjes. En die druppeltjes volgen dan het pad dat de kosmische stralen door de kamer hebben gemaakt.
Als je de paden ziet die deze muonen maken, denk hier dan eens over na: deze subatomaire deeltjes schieten met 98 procent van de lichtsnelheid naar de aarde.
Ze bewegen zo snel dat ze de tijdvertraging ervaren die voorspeld wordt door Einsteins speciale relativiteitstheorie. Ze zouden moeten vergaan - d.w.z. breken uiteen in kleinere componenten, elektronen en neutrino's - in slechts 2,2 microseconden, wat zou betekenen dat ze amper 2000 voet naar beneden zouden komen van de top van de atmosfeer voordat ze zouden sterven. Maar omdat ze zo snel bewegen ten opzichte van ons, worden ze ouder 22 keer langzamer . (Een soortgelijk iets gebeurde met het personage van Matthew McConaughey in de film) interstellaire , terwijl hij zijn relatieve snelheid opvoerde bij het naderen van een zwart gat.)
Als de theorie van Einstein niet waar zou zijn, zouden we geen muonen in de wolkenkamer zien. Gelukkig zijn ze ongevaarlijk en bewegen ze zo snel dat ze geen tijd hebben om een krachtige stoot in je lichaam te krijgen. Wetenschappers kunnen coole dingen doen met muonen, zoals ze gebruiken om de binnenkant van de te fotograferen Grote Piramide in Egypte .
Bedenk dat deze stralen mogelijk werden voortgestuwd door krachten van buiten ons zonnestelsel, door krachten die geen enkele fysicus begrijpt. Dat is ronduit geweldig.
Onze theoretische natuurkundige collega's zijn verbijsterd over hoe deze deeltjes worden geactiveerd, zegt Charles Jui, een natuurkundige aan de Universiteit van Utah op jacht naar kosmische straling. We kunnen ook niet achterhalen waar ze vandaan komen.
Kosmische straling, uitgelegd
Het mysterie van kosmische straling begon met hun ontdekking in 1912 . Toen maakte de natuurkundige Victor Hess een ritje in een heteluchtballon en ontdekte dat de hoeveelheid straling in de atmosfeer toeneemt naarmate je hoger komt.
Hij zat op de ballon om zijn experiment te isoleren van straling. Maar hogerop was het alleen maar luidruchtiger. Dat bracht hem tot de conclusie dat de straling uit de ruimte kwam en niet de radioactiviteit van rotsen in de aarde.
Hij maakte ook deze ballonvaart tijdens een totale zonsverduistering . Met de maan die de zon blokkeert, had de kosmische straling van de zon eruit moeten worden gefilterd. Maar hij heeft nog wel wat opgenomen. Dat bracht hem tot het inzicht dat de straling niet van de zon kwam, maar van dieper in de ruimte. Zijn ontdekking van kosmische straling won hem de 1936 Nobelprijs voor de natuurkunde.
De kosmische stralingsdeeltje met de hoogste energie ooit opgenomen, het Oh-My-God-deeltje genoemd, was een 2 miljoen keer energieker dan het meest opgevoerde proton voortgestuwd door de Large Hadron Collider, 's werelds krachtigste deeltjesversneller.
Die energie, Antonella Castellina, een Italiaanse astrofysicus met de Observatorium Pierre Auger , legt uit, is vergelijkbaar met een toptennisprof die met al zijn kracht een bal slaat. Nu, dat klinkt niet als veel. Maar stel je al die energie voor die in een gebied wordt geperst dat kleiner is dan een atoom - dat is extreem. Het is genoeg kracht een gloeilamp aandoen voor een seconde of langer. Niemand weet wat in het heelal een subatomair deeltje zo'n energie kan geven, zegt ze.
Meer dan dat, wetenschappers zijn verbijsterd over hoe zo'n deeltje zelfs de aarde kan bereiken. Van deeltjes met zulke waanzinnig hoge energieën wordt gedacht dat ze interactie met de straling die overblijft van de oerknal en de schepping van het universum, dat hen zou moeten breken voordat ze ons bereiken.
Wat het Oh-My-God-deeltje en even krachtige kosmische stralen heeft gecreëerd, is een compleet, verbijsterend mysterie. (Je zou kunnen denken, waarom noemen we deze deeltjes stralen? Het is een beetje een verkeerde benaming die bleef hangen vanaf het moment dat ze een eeuw geleden werden ontdekt. Ze worden ook astrodeeltjes genoemd. Maar kosmische straling klinkt cooler, dus we houden het bij met dat.)
Kosmische straling werd 100 jaar geleden ontdekt. Dus je zou kunnen denken: waarom kunnen we er niet achter komen wat deze kosmische straling op ons afvuurt?
We zullen, we kennen wel enkele kosmische stralen komen van de zon. Maar de sterkste, de meest mysterieuze, komen van de grote uitweg in de melkweg en het universum.
Het probleem met het zoeken naar de bronnen van deze kosmische straling met zeer hoge energie is dat de stralen niet altijd in een rechte lijn reizen. De verschillende magnetische velden van de melkweg en het universum buigen ze af en brengen ze op bochtige paden.
Veel van de kosmische stralen die de aarde raken - vooral degenen die van onze zon komen - worden afgebogen naar de polen vanwege het magnetische veld van de aarde. Daarom hebben we het Noorder- en Zuiderlicht bij de polen.
Er zijn een paar grote projecten aan de gang om beter te begrijpen waar deze kosmische straling vandaan komt. Een daarvan betreft een werkelijk enorm blok ijs op de Zuidpool.
Een enorm blok ijs op de Zuidpool is een gigantische kosmische stralingsdetector
Er leeft niet veel op de bodem van de wereld, behalve de natuurkundigen. Daar, op de zuidpool, hebben ze de IceCube Neutrino Observatorium , direct gesmeed in het ijs onder het oppervlak van de Zuidpool.
Het is een blok kristalhelder ijs van 1 kubieke kilometer (ongeveer 1,3 miljard kubieke meter) omgeven 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 botsen.
Hoe het werkt, verschilt niet zo veel van het nevelkamerexperiment dat we hierboven hebben laten zien. Het probeert het pad te traceren dat een heel speciaal type kosmische straal - een neutrino genaamd - door het observatorium maakt.
Neutrino's verschillen op een heel belangrijke manier van de andere componenten van kosmische straling: ze hebben niet veel interactie met andere vormen van materie. Ze hebben geen elektrische lading. Dat betekent dat ze in een relatief rechte lijn door het heelal reizen, en dat we ze kunnen herleiden tot een bron.
Als ik met een zaklamp door een muur schijn, gaat het licht er niet door, Naoko Kurahashi Neilson , vertelde een deeltjesfysicus aan de Drexel University me. Dat komt omdat de lichtdeeltjes, de fotonen, interageren met de deeltjes in de wand en ze niet kunnen doordringen. Als ik een neutrino-zaklamp had, zou die stroom neutrino's door de muur gaan.
Maar af en toe zal een neutrino - misschien elke 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 met een snelheid sneller dan de lichtsnelheid worden voortgestuwd als ze door het ijs gaan.
Je hebt misschien gehoord dat niets sneller kan reizen dan het licht. Dat is waar, maar alleen in een vacuüm. De fotonen waaruit licht bestaat (een subatomair deeltje op zich) vertragen eigenlijk een beetje wanneer ze een dichte substantie zoals ijs binnendringen. Maar andere subatomaire deeltjes, zoals muonen en elektronen, vertragen niet.
Wanneer deeltjes sneller dan het licht door een medium als ijs bewegen, gloeien ze. Het wordt Cherenkov-straling genoemd. En het fenomeen is vergelijkbaar met dat van een sonische knal. (Als je sneller gaat dan de snelheid van het geluid, produceer je een explosie van geluid.) Als deeltjes sneller bewegen dan het licht, laten ze een griezelig blauw licht achter zoals een speedboot een kielzog in het water achterlaat. Hier is een artistieke weergave van hoe dit er allemaal uitziet. Het neutrino is de traanvorm in grijs.
Andere observatoria die op zoek zijn naar kosmische straling zijn eveneens enorm
De Observatorium Pierre Auger , waar Castellina werkt, gebruikt een reeks van 1.600 tanks, elk gevuld met 3.000 gallons water. De tanks zijn verspreid over meer dan 1.000 vierkante mijl in Mendoza, Argentinië.
De tanks werken als het ijsblok op de Zuidpool. Maar in plaats van ijs te gebruiken om kosmische straling op te nemen, gebruiken ze water. De tanks zijn van binnen helemaal pikzwart. Maar wanneer kosmische stralen - meer dan alleen neutrino's - de tanks binnendringen, veroorzaken ze kleine lichtflitsen, via Cherenkov-straling, omdat ze de lichtsnelheid in water overschrijden.
Als veel van de tanks tegelijkertijd een uitbarsting van kosmische straling registreren, kunnen de wetenschappers achteruit werken en de energie achterhalen van het deeltje dat de top van de atmosfeer raakt. Ze kunnen ook een ruwe schatting maken van waar in de lucht het deeltje is neergeschoten.
Op het noordelijk halfrond is er een soortgelijk experiment in Utah genaamd de telescoop array . Net als de tanks in Zuid-Amerika heeft de array in Utah een reeks detectoren verspreid over een enorm gebied. Momenteel neemt het ongeveer 300 vierkante mijl in beslag, maar er is een upgrade in de werken om het uit te breiden tot 1.200 vierkante mijl. (Hoe groter het gebied, hoe groter de kans om de meest ongrijpbare en krachtige kosmische straling te zien.)
De detectoren in Utah zijn gemaakt van superhelder acrylplastic en zijn ondergebracht in eenheden die op ziekenhuisbedden lijken.
Als veel van de detectoren achter elkaar een treffer registreren (denk aan de deeltjes die allemaal rond dezelfde tijd de grond raken als jachtgeweerkogels op een doelbord), 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 leuks doen. Op zeer heldere, donkere nachten in de woestijn van Utah kan het de vage sporen van kosmische straling in onze atmosfeer zien oplichten.
Het idee is dat je de luchtdouche in de atmosfeer kunt zien ontstaan met behulp van ultraviolette camera's, zegt Jui. Dit zijn camera's die video's opnemen, gedurende een paar microseconden, tien frames per microseconde [dat is extreme slow motion], en dan kun je de verlengde lijn in de lucht zien en daaruit de energie van de [kosmische straling] meten.
U kunt helpen bij het zoeken naar kosmische straling
Met voldoende gegevens over deze hoogenergetische kosmische straling hopen wetenschappers op een dag beter te kunnen bepalen waar ze in de lucht vandaan komen.
Het probleem is dat ze op dit moment gewoon niet genoeg waarnemingen hebben van de krachtigste kosmische straling.
Het zal enige tijd duren omdat de krachtigste kosmische stralen niet al te vaak door detectoren gaan: elke vierkante kilometer aarde ziet slechts ongeveer één van deze deeltjes per eeuw. En om rekening te houden met het feit dat deze stralen niet vaak in een rechte lijn reizen, zal er een berg gegevens voor nodig zijn.
Maar we hebben al enkele aanwijzingen. Het Pierre Auger-observatorium heeft enkele (nog niet overtuigende) gegevens dat sommige van deze hoogenergetische deeltjes afkomstig zijn van starburst-sterrenstelsels, dit zijn sterrenstelsels die in een zeer snel tempo sterren vormen. Jui's groep heeft geconcludeerd dat ongeveer een kwart van de krachtigste kosmische straling die is waargenomen, afkomstig is van een cirkel van ongeveer 6 procent zo groot als de nachtelijke hemel, nabij het sterrenbeeld Grote Beer. Maar dat is een enorm gebied en er is geen duidelijk rokend wapen in de regio.
Er druppelen steeds meer aanwijzingen binnen. Afgelopen zomer hebben wetenschappers van het IceCube-observatorium opwindend bewijs gepubliceerd dat sterrenstelsels die blazars worden genoemd enkele van deze hoogenergetische deeltjes genereren . Blazars hebben superzware zwarte gaten in het midden die materie uit elkaar scheuren in zijn samenstellende delen, en dan schiet subatomaire deeltjes als een laserkanon de ruimte in.
Hier is een afbeelding van een kunstenaar die heel, heel niet op schaal is, en toont een blazar die een bundel kosmische stralen op de aarde schiet.
De huidige resultaten kunnen de krachtigste kosmische straling die ooit is gedetecteerd, nog niet verklaren. Ze moeten ook worden herhaald.
Er is ook de mogelijkheid dat sommige stralen worden geproduceerd door krachten en objecten waarvan we momenteel niets weten - of interageren met mysterieuze dingen zoals donkere materie , op manieren die we nog niet begrijpen. Het kunnen aliens zijn, maar ik betwijfel het.
Wat wetenschappers nodig hebben, zijn meer gegevens, meer waarnemingen om de bronnen in de lucht te kunnen lokaliseren waar deze deeltjes vandaan komen.
En binnenkort kunt u aan de slag. Je telefoon kan worden veranderd in een kosmische stralingsdetector. Daniel Whiteson is een natuurkundige aan de University of California Irvine, die heeft gewerkt aan een crowd-sourced project voor kosmische straling. Het heet Crayfis (Cosmic RAYs Found In Smartphones).
Het aantal deeltjes dat met waanzinnige energieën de atmosfeer raakt, is echt groot. Het loopt in de miljoenen [per jaar], 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 zouden kunnen bouwen die groot genoeg is om enorme stukken land te bestrijken, zouden we heel snel veel gegevens kunnen verzamelen.
Dat is waar de smartphones binnenkomen. De camera in je telefoon werkt omdat fotonen - het subatomaire deeltje dat licht vormt - een sensor aan de achterkant van de lens activeert. Kosmische straling kan de sensor ook activeren. (Zo nu en dan, te , kan een kosmische straal interfereren met een microprocessor en een computer laten crashen .)
Als je de camera van je telefoon met de voorkant naar beneden legt, wordt het meeste [licht] geblokkeerd en krijg je een zwart beeld, legt hij uit. Maar deeltjes uit de ruimte gaan dwars door je telefoon, plafond of muur en raken de [camerasensor] en laten een spoor achter.
De hoop is dat miljoenen gebruikers de app 's nachts kunnen aanzetten terwijl ze slapen, en op zoek gaan 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. Maar je kunt je nu aanmelden om bètatester te worden wanneer de app klaar is.
Natuurkundigen zullen niet snel opgeven. Het bestaan van hoogenergetische kosmische straling vertelt ons dat ons begrip van het universum hopeloos onvolledig is.
Dit is een van de meest gewelddadige verschijnselen in het universum, zegt Jui. Wil je niet weten wat de oorzaak is?
