Wetenschappers zijn erin geslaagd omstandigheden na te bootsen die lijken op ‘kosmische vuurballen’ in de CERN-deeltjesversneller, een baanbrekend experiment gericht op het begrijpen van de raadselachtige verdwijning van hoogenergetische gammastraling uit verre sterrenstelsels. Deze prestatie zou cruciale inzichten kunnen ontsluiten in de oorsprong van magnetische velden in de intergalactische ruimte en het gedrag van materie onder extreme omstandigheden.
Extreme universumomstandigheden simuleren
Het onderzoek, uitgevoerd door wetenschappers van de Universiteit van Oxford en de Central Laser Facility van de Science and Technology Facilities Council (STFC), maakte gebruik van de HiRadMat-faciliteit van CERN en de Super Proton Synchrotron om paren materie- en antimateriedeeltjes (elektronen en positronen) te genereren. Deze deeltjes werden vervolgens door een kolom plasma geblazen – een oververhit, geïoniseerd gas – waarmee de intense omstandigheden werden gesimuleerd die voorkomen in jets die uit blazars komen. Blazars zijn een soort actieve galactische kern, waar superzware zwarte gaten in de centra van sterrenstelsels materie consumeren en hoogenergetische plasmastromen uitstoten.
“Deze experimenten laten zien hoe laboratoriumastrofysica theorieën over het hoogenergetische universum kan testen”, legt Bob Bingham, een teamlid van de Universiteit van Strathclyde, uit. “Door relativistische plasmaomstandigheden in het laboratorium te reproduceren, kunnen we processen meten die de evolutie van kosmische jets bepalen en de oorsprong van magnetische velden in de intergalactische ruimte beter begrijpen.”
Wat zijn Blazars en waarom verdwijnen gammastraling?
Blazars vormen een fascinerende subset van ‘actieve galactische kernen’ (AGN). In het hart van deze sterrenstelsels bevindt zich een superzwaar zwart gat – miljoenen of miljarden keren massiever dan onze zon – dat gulzig omringend gas en stof aantrekt. Dit materiaal vormt een wervelende schijf, een zogenaamde accretieschijf, die helder gloeit als gevolg van wrijving.
Terwijl materie naar het zwarte gat valt, kanaliseren krachtige magnetische velden een deel ervan naar de polen van het zwarte gat. Deze materie wordt versneld tot bijna de snelheid van het licht en uitgestoten als dubbele plasmastralen. Wanneer een van deze jets rechtstreeks op de aarde wordt gericht, wordt het een blazar. Deze jets produceren intense gammastraling die telescopen op aarde kunnen detecteren.
Er is echter een raadselachtig fenomeen aan het licht gekomen: wanneer deze gammastralen door de intergalactische ruimte reizen, produceren ze altijd de secundaire signalen die door de standaardfysica worden voorspeld. Wetenschappers verwachtten dat interacties met fotonen in het kosmische achtergrondlicht paren van elektronen en positronen (materie en antimaterie) zouden creëren, en deze paren zouden op hun beurt verstrooid worden door de kosmische microgolfachtergrond (CMB), een zwakke nagloed van de oerknal. Deze verstrooiing zou gammastraling met lagere energie moeten genereren die detecteerbaar is door telescopen zoals het Fermi-ruimtevaartuig. Toch ontsnappen deze gammastralen met lagere energie consequent aan detectie.
Het ontbrekende gammastralingsmysterie: verklaringen en nieuwe bevindingen
Verschillende theorieën proberen deze schijnbare discrepantie te verklaren. Eén suggestie is dat zwakke intergalactische magnetische velden de elektron-positronparen afbuigen, waardoor de gammastraling met lagere energie effectief uit ons gezichtsveld wordt geduwd. Een andere mogelijkheid betreft instabiliteit in deze materie-antimaterieparen terwijl ze door de schaarse materie tussen sterrenstelsels reizen, waardoor fluctuaties in de plasmastraal ontstaan en magnetische velden worden gegenereerd die de energie van de bundel verdrijven. Ten slotte zou de aanwezigheid van een ‘overblijfsel van een magnetisch veld’, dat overblijft uit het vroege heelal, de gammastraling kunnen verstoren.
Het recente CERN-experiment was bedoeld om de eerste twee van deze theorieën te testen. Verrassend genoeg constateerde het team een minimale verstoring van de plasmabundel, wat in tegenspraak was met de verwachting van een aanzienlijke opwekking van magnetische velden. Dit suggereert dat de plasma-instabiliteiten mogelijk te zwak zijn om de ontbrekende gammastraling te verklaren, wat de mogelijkheid vergroot dat een relikwie magnetisch veld hun gedrag beïnvloedt.
De bevindingen van het team dagen heersende theorieën uit en versterken het argument voor het bestaan van een magnetisch overblijfsel dat het intergalactische medium doordringt.
Vooruitkijken
De resultaten roepen intrigerende vragen op, vooral over de vraag hoe een dergelijk overblijfsel van het magnetische veld in het opmerkelijk uniforme vroege heelal kan zijn ontstaan. Om deze vraag te beantwoorden zou het nodig kunnen zijn om de natuurkunde buiten het standaardmodel te verkennen, waarbij mogelijk geavanceerde faciliteiten zoals het Cherenkov Telescope Array Observatory (CTAO) betrokken moeten worden.
“Het was erg leuk om deel uit te maken van een innovatief experiment als dit dat een nieuwe dimensie toevoegt aan het grensverleggende onderzoek dat bij CERN wordt gedaan”, concludeert Subir Sarkar, teamlid en onderzoeker aan de Universiteit van Oxford. De bevindingen van het team, gepubliceerd in het tijdschrift PNAS, bieden een frisse kijk op fundamentele kosmische vragen en benadrukken het potentieel van laboratoriumexperimenten om de meest extreme omgevingen van het universum te onderzoeken.
