Onze planeet wordt voortdurend gebombardeerd door hoogenergetische deeltjes uit de ruimte – een fenomeen dat bekend staat als kosmische straling. Hoewel de term beangstigend klinkt, is het grootste deel van deze straling onschadelijk. Het omvat zichtbaar licht en subatomaire deeltjes die door de kosmos stromen, vaak kosmische straling genoemd. Sommige zijn afkomstig van onze zon, andere van binnen de Melkweg, en een verrassend aantal reist over grote afstanden van andere sterrenstelsels.
De schaal van extragalactische impact
Het is opmerkelijk dat de aarde routinematig deeltjes onderschept van sterrenstelsels op miljoenen lichtjaren afstand. Deze deeltjes verliezen in de loop van de tijd energie, maar sommige komen nog steeds met buitengewone kracht aan. Hun energie wordt gemeten in elektronvolt (eV), een kleine eenheid: 26 miljoen biljoen eV is gelijk aan slechts één joule (de energie om een kubieke centimeter water met 1 graad Celsius te verwarmen). Toch dragen kosmische straling vaak mega-elektronenvolt (MeV) of zelfs giga-elektronenvolt (GeV).
Sommige kosmische straling trotseren echter de verwachtingen. In 1991 registreerde de Fly’s Eye-detector een deeltje met een energie van 320 quintiljoen eV, oftewel 320 miljard GeV. Dit “Oh-My-God” (OMG) deeltje bezat 51 joule aan kinetische energie – equivalent aan een langzame curveball, maar geconcentreerd in een enkel subatomair deeltje.
Wat maakt dit deeltje zo vreemd?
Protonen, de fundamentele deeltjes waaruit deze straal bestaat, zijn onvoorstelbaar klein. Om het in perspectief te plaatsen: een proton vergeleken met een sinaasappel is als een sinaasappel vergeleken met de baan van Neptunus. Het OMG-deeltje bewoog met 99,999999999999999999995% van de lichtsnelheid. Als het vanaf de geboorte van het heelal met een foton had geracet, zou het nu slechts 600 meter achterlopen.
Waar komt deze energie vandaan?
De bron is waarschijnlijk superzware zwarte gaten in verre sterrenstelsels. Deze zwarte gaten stoten krachtige stralen materie en energie uit, die sterke magnetische velden met zich meedragen. Geladen deeltjes, zoals protonen, versnellen binnen deze velden. Botsingen tussen gaswolken verhogen hun energie verder via een proces dat ‘eerste orde Fermi-versnelling’ wordt genoemd: een kosmische trebuchet die deeltjes met bijna-lichtsnelheden wegslingert.
De op een na hoogste energiekosmische straal ooit gedetecteerd, bijgenaamd Amaterasu, kwam uit het sterrenstelsel PKS 1717+177, bekend om zijn krachtige jets. Deze gebeurtenissen zijn zo energiek dat ze alles wat we op aarde kunnen creëren in de schaduw stellen.
Een overtreding van kosmische regels?
Het OMG-deeltje daagt echter ons begrip van de natuurkunde uit. Het heelal is gevuld met kosmische microgolfachtergrondstraling: laagenergetische straling die overblijft na de oerknal. Bij bijna-lichtsnelheden komen deeltjes deze straling tegen, versterkt door het Doppler-effect. Dit zou ze moeten vertragen of zelfs opsplitsen in andere deeltjes.
Toch bereikte het OMG-deeltje ons ondanks deze obstakels. De oplossing kan zijn dat het geen proton was, maar een zwaardere kern, zoals ijzer, die op een andere manier interageert met de kosmische microgolfachtergrond.
Een venster op het vroege heelal
Het bestaan van deze kosmische straling met ultrahoge energie bewijst dat er buiten onze Melkweg extreme energiebronnen bestaan. Het is alsof je een kijkje neemt in de fractie van een seconde na de oerknal. Het universum onthult voortdurend zijn geheimen, en deze deeltjes zijn slechts één manier waarop dit gebeurt.
