Decennia lang hebben wetenschappers zich verbaasd over een scherpe bocht in het energiespectrum van kosmische straling, bekend als de ‘knie’, van ongeveer 3 PeV (peta-elektronvolt). Nu bevestigen baanbrekende resultaten van het Large High Altitude Air Shower Observatory (LHAASO) dat krachtige deeltjesversnellers in zwarte gatensystemen – in het bijzonder micro-quasars – de waarschijnlijke bron zijn van dit kosmische fenomeen. Deze ontdekking lost niet alleen een al lang bestaand mysterie op, maar onthult ook de cruciale rol die zwarte gaten spelen bij het vormgeven van hoogenergetische kosmische straling in onze Melkweg.
De tientallen jaren oude puzzel van de kosmische straalknie
Kosmische straling, hoogenergetische deeltjes die de aarde vanuit de ruimte bombarderen, vertonen een spectrum waarin het aantal deeltjes afneemt met toenemende energie. Rond de 3 PeV neemt het spectrum echter een duidelijke ‘knievorm’ aan: een plotselinge daling van het aantal deeltjes. De oorzaak van deze abrupte verandering bleef bijna 70 jaar onbekend, waarbij theorieën wezen op beperkingen in astrofysische versnellingsprocessen.
De doorbraak van LHAASO: micro-quasars als kosmische versnellers
Recente onderzoeken, gepubliceerd in National Science Review en Science Bulletin, tonen aan dat micro-quasars – binaire systemen waarbij een zwart gat materiaal van een begeleidende ster verzamelt – in staat zijn deeltjes te versnellen tot PeV-energieën. LHAASO detecteerde systematisch ultrahoge-energie gammastraling van vijf micro-quasars: SS 433, V4641 Sgr, GRS 1915+105, MAXI J1820+070 en Cygnus X-1.
De ultrahoge energiestraling van SS 433 bleek te overlappen met een gigantische atoomwolk, wat erop wijst dat hoogenergetische protonen door het zwarte gat worden versneld en in botsing komen met omringende materie. De protonenenergie in dit systeem overschreed de 1 PeV, met een totaal vermogen dat gelijk was aan het ontploffen van vier biljoen waterstofbommen per seconde. V4641 Sgr vertoonde gammastralingsenergie die 0,8 PeV bereikte, waardoor het een andere “super PeV-deeltjesversneller” werd.
Waarom supernovaresten niet genoeg zijn
Historisch gezien werden supernovaresten beschouwd als de belangrijkste bron van kosmische straling. Observatie- en theoretische studies hebben echter aangetoond dat ze niet over de energie beschikken om deeltjes naar PeV-niveaus en verder te versnellen. De bevindingen van LHAASO bevestigen dat micro-quasars deze leemte opvullen en de noodzakelijke versnellingsmogelijkheden bieden om de hoogenergetische component van kosmische straling te produceren.
De uitdaging van het meten van kosmische stralingsspectra
Het nauwkeurig meten van de energiespectra van kosmische straling, vooral protonen, is uiterst moeilijk. Het ‘kniegebied’ is schaars, waardoor detectie lijkt op het vinden van een speld in een hooiberg. Metingen op de grond worden bemoeilijkt door atmosferische interferentie, waardoor het moeilijk is om protonen van andere kernen te onderscheiden. LHAASO heeft deze uitdagingen overwonnen door gebruik te maken van zijn geavanceerde observatieapparatuur en door multiparametermeettechnieken te ontwikkelen.
Meerdere versnellers geven vorm aan het kosmische stralingslandschap
De bevindingen van LHAASO, gecombineerd met gegevens van de ruimtevaartexperimenten AMS-02 en DArk Matter Particle Explorer (DAMPE), onthullen een complex beeld. Het sterrenstelsel bevat meerdere versnellers, elk met zijn eigen unieke mogelijkheden en energiebereik. De ‘knie’ vertegenwoordigt de versnellingslimiet van de bronnen die verantwoordelijk zijn voor het genereren van de hoogenergetische component, waarbij micro-quasars een cruciale rol spelen.
Zwarte gaten verbinden met de kosmische straalknie
Het hybride detectorarrayontwerp van LHAASO maakt de detectie van bronnen van kosmische straling mogelijk via gammastraling met ultrahoge energie, terwijl een nauwkeurige meting van kosmische stralingsdeeltjes mogelijk is. Deze benadering biedt inzicht in het versnellingsvermogen van bronnen bij PeV-energieën en de spectrale kenmerken die zij bijdragen aan kosmische straling. Voor het eerst is de ‘knie’-structuur observationeel verbonden met een specifiek type astrofysische bron: het zwart-gat-jetsysteem.
Een Chinese doorbraak in onderzoek naar kosmische straling
LHAASO, ontworpen, gebouwd en beheerd door Chinese wetenschappers, heeft het voortouw genomen in onderzoek naar hoogenergetische kosmische straling vanwege zijn gevoeligheid in zowel gammastralingsastronomie als precisiemetingen van kosmische straling. De reeks ontdekkingen hebben een wereldwijde impact gehad en bijgedragen aan onze kennis van extreme fysische processen in het universum.
Concluderend leveren de bevindingen van LHAASO het definitieve bewijs dat systemen van zwarte gaten, met name micro-quasars, de belangrijkste bron zijn van hoogenergetische kosmische straling die verantwoordelijk is voor de ‘knie’ in het energiespectrum. Deze doorbraak lost niet alleen een decennia-oud mysterie op, maar legt ook een cruciaal verband tussen zwarte gaten en de extreme deeltjesversnelling die zich in onze Melkweg voordoet.
