RADEN NAAR HET RUWE MATERIAAL

Regen, alsmaar regen. Honderd jaar regen en niet weten waar die vandaan komt. Een recept voor depressie? Kennelijk niet als je astronoom bent en de regen een gestage vloed van deeltjes is die de aarde van alle kanten overspoelt. De grijns was niet van het gezicht van Richard Lingenfelter af te branden toen hij vorige week donderdag op de zomervergadering van de American Astronomical Society zijn verhaal over dit onderwerp deed. Maar de sterrenkundige van de Universiteit van Californië in San Diego heeft dan ook, denkt hij, het raadsel van de kosmische straling opgelost.

Waterstof, helium, lithium. . . atomen van alle elementen die op aarde voorkomen, komen ook met een noodgang vanuit de ruimte de atmosfeer van de aarde binnenzeilen. De grond halen ze nooit: hoewel ze een heel hoge snelheid hebben, in de buurt van die van het licht, en dus lang geen seconde nodig zouden hebben om die paar kilometer te overbruggen, botsen ze lang voor het zover is op een atoom uit de atmosfeer. Beide spatten dan uit elkaar: materie en energie samen worden omgezet in allerlei nieuwe deeltjes, die met geringere snelheid hun weg omlaag voortzetten. Die deeltjes halen de grond ook weer niet, door botsingen waarbij nog meer deeltjes ontstaan. Als een gigantische nachtkijker versterkt de atmosfeer zo het zwakke 'schijnsel' uit de ruimte, tot iets dat op aarde gemeten kan worden.

Het onderzoek aan kosmische straling is een relatief jonge tak van de sterrenkunde: pas begin deze eeuw lieten onderzoekers zich in open ballonnen kilometershoog voeren om daar in gevaarlijke omstandigheden de metingen te doen die tot het bovenbeschreven beeld van de straling leidden. En het onderzoek is ook relatief onaf. De aard van een ding vaststellen is wel belangrijk, maar je begrijpt het pas echt als je ook weet waar het vandaan komt. En dat heeft bij kosmische straling sinds die eerste ballonvluchten in 1912 en 1913 voor grote hoofdbrekens gezorgd.

De atomen die op aarde regenen zijn hun elektronen kwijt: het zijn kale kernen met een vaak forse elektrische lading, die op hun reis naar de aarde flink door elkaar geklutst zijn door de magnetische velden die overal in de ruimte aanwezig zijn. Licht beweegt zich altijd in een rechte of praktisch rechte lijn, je kunt het gebruiken om je, letterlijk, een beeld te vormen van de bron. Kosmische straling niet, op dat gebied schudt het heelal de kaarten voor het ze deelt. Die komt van alle kanten, zonder veel over haar oorsprong te verraden.

Hoe los je dan het raadsel van de herkomst op? Bij gebrek aan informatie over de oorspronkelijke richting moet de sterrenkunde het doen met andere eigenschappen: hoe snel komt de straling aanzetten? Hoeveel waterstof, helium, lithium enzovoorts zit erin?

Dat soort onderzoek levert soms indrukwekkende getallen op. Zoals het record-proton (een waterstofkern) dat een andere onderzoeker, Stuart F. Taylor van de Universiteit van Utah, onlangs mat en dat evenveel energie had als een met zeventig kilometer per uur naar iemands hoofd gegooide appel.

Uit de energie van alle straling die je meet kun je uitrekenen wat de totale energie is van de kosmische straling die in de Melkweg, ons sterrenstelsel, rondwaart. En omdat deze straling niet het eeuwige leven heeft en dus telkens moet worden aangevuld, en om diezelfde reden doorgaans ook geen reis van miljoenen jaren van het ene melkwegstelsel naar het andere zou overleven, kun je uitrekenen hoeveel energie de Melkweg elk jaar moet steken in het instandhouden van de straling.

Het is een hoop: 10 tot de macht 28 (een 1 met 29 nullen) megawatt, maar er is in de Melkweg een energiebron die gespecialiseerd is in het versnellen van materie en daar een aardig passende hoeveelheid energie in steekt: de supernova. Zo ongeveer eens in de dertig jaar ontploft er een oudgeworden ster in de Melkweg en zo'n klap levert dan ruim voldoende energie op om de kosmische straling aan de gang te houden.

De energie is dus geen echt raadsel, daar zijn de astronomen het wel over eens. Waar Lingenfelter en zijn collega's, Reuven Ramaty van het Nasa Goddard Space Flight Center en Benzion Kozlovsky van de Universiteit van Tel Aviv, zo trots op zijn, is dat ze een theorie hebben bedacht die duidelijk maakt wat het ruwe materiaal voor kosmische straling moet zijn.

Hun theorie is bepaald niet de eerste. Kosmische straling kan overal vandaan komen, want de Melkweg is een enorme reageerbuis waarin materie voortdurend wordt geconcentreerd en weer verdund. Gas trekt zich samen tot sterren, in de kernen van sterren worden lichte elementen als waterstof en helium gefuseerd tot zwaardere elementen die ook op aarde gevonden worden, van koolstof tot ijzer. En als een grote ster oud wordt en als supernova ontploft, verrijken de aangemaakte zware elementen het interstellaire gas, zodat de volgende ster die zich uit dat gas vormt al met een basisvoorraad van zware elementen begint.

Het gehalte aan zware elementen in gas in het heelal vormt een toetssteen voor theorieën over wat de bron van kosmische straling zou kunnen zijn. Wie bijvoorbeeld zegt dat de deeltjes afkomstig zijn uit het interstellaire gas, op snelheid gebracht door de schokgolven die een ontploffende supernova dat gas instuurt, moet dan wel uitleggen hoe het komt dat er van bepaalde elementen veel meer atoomkernen in kosmische straling voorkomen dan astronomen meten in dat interstellaire gas. En ook het gas van de supernova-ster zelf leek niet zonder meer de juiste receptuur te hebben.

De problemen werden alleen maar groter toen onderzoeker P. Molaro vorig jaar zijn collega's opzadelde met het 'berylliumraadsel'. Beryllium is een erg belangrijk element in het onderzoek naar kosmische straling, omdat het in tegenstelling tot de meeste andere elementen niet in de kernen van sterren wordt aangemaakt en later door supernova-explosies de ruimte ingeslingerd. Het ontstaat wanneer twee andere elementen, zuurstof en koolstof, als kosmische straling de ruimte in gaan en aanvaringen krijgen met andere deeltjes.

Wat Molaro nu ontdekte was, dat in het gas van heel oude sterren, de tweede of derde generatie sterren die in de Melkweg zijn ontstaan, opvallend veel beryllium voorkwam. Dat beryllium kan alleen maar in die sterren terecht zijn gekomen doordat die zich vormden uit interstellair gas waarin beryllium zat. Maar dat beryllium kan alleen maar in dat interstellaire gas zijn gekomen door kosmische straling, op snelheid gebracht tijdens de ontploffing als supernova van de allereerste generatie sterren. Maar toen die ontploften, was het interstellaire gas nog niet verrijkt, met koolstof en zuurstof. De conclusie moet zijn, dat die elementen, en dus alle kosmische straling, wel degelijk uit die eerste sterren zelf moeten zijn gekomen. De vraag is: hoe. En vooral: waarom leverden zelfs de alleroudste sterren kosmische straling waarin allerlei zware elementen verhoudingsgewijs veel voorkwamen?

De oplossing die Lingenfelter en zijn collega's nu aandragen, is dat kosmische straling niet wordt gevormd uit gas van de ontploffende ster, maar uit stof. Tijdens de ontploffing van een supernova condenseert een deel van het gas van de ster, en dan met name de zwaardere elementen daaruit, in de vorm van kleine stofdeeltjes. Stofdeeltjes reageren anders op de magnetische velden en schokgolven die de ster in de supernovafase uit elkaar scheuren, stellen ze. Ze poneren een ingewikkeld mechanisme waarbij stofjes door die schokgolven veel krachtiger versneld worden dan gewoon gas, en daardoor met de energie van kosmische straling de ruimte in vertrekken. En dan zijn ze er bijna. Na die enorme versnelling botsen de stofjes ook voortdurend op elkaar, waardoor ze in kleinere en kleinere stukjes uiteenvallen, totdat de energierijke deeltjes geen stofjes meer zijn maar atoomkernen. Die al honderden jaren op de aarde neerregenen en dat altijd zullen blijven doen. De grijns op het gezicht van Lingenfelter was er niet minder om.

Meer over

Wilt u iets delen met Trouw?

Tip hier onze journalisten

Op alle verhalen van Trouw rust uiteraard copyright.
Wil je tekst overnemen of een video(fragment), foto of illustratie gebruiken, mail dan naar copyright@trouw.nl.
© 2021 DPG Media B.V. - alle rechten voorbehouden