Astronomen breken zich er al jarenlang het hoofd over. Waar komen de mysterieuze hoogenergetische deeltjes vandaan die met enige regelmaat de aarde treffen? Zijn ze afkomstig uit supernova’s? Gaf een supermassief zwart gat ze hun snelheid? Niemand die het weet. Maar één ding is zeker: hun herkomst moet bijzonder zijn, anders kunnen ze nooit zoveel energie hebben – ongeveer honderdduizend keer de snelheid die CERN kan bereiken in de Large Hadron Collider.

Deeltjesdouche

Deeltjesfysicus Olaf Scholten van KVI-CART is een van de mensen die een deel van dat mysterie heeft opgelost – samen met fysici uit Nijmegen en Brussel. Door op een slimme manier gebruik te maken van de radioantennes van LOFAR bij Dwingeloo, kon hij achterhalen dat ze hoogstwaarschijnlijk uit ons eigen melkwegstelsel komen. En dat is een verrassing. ‘Tot nu toe werd aangenomen dat ze van diep uit het heelal afkomstig waren.’

‘Tot nu toe werd aangenomen dat ze van diep uit het heelal kwamen’
Hoogenergetische deeltjes bestuderen is niet eenvoudig. Ten eerste omdat ze de aarde niet zo vaak raken – de allersnelste raken een vierkante kilometer eens in de honderd jaar. De iets minder snelle weliswaar wat vaker, maar het is nog altijd geen bombardement.

‘Poing’

Het tweede probleem is dat ze nooit intact de aarde halen. Zodra ze de atmosfeer raken, ontstaan er botsingen, waardoor weer andere deeltjes ontstaan die met nog altijd enorme snelheid verder razen. Zo ontstaat een cascade van deeltjes – een douche – waarvan de energie steeds minder wordt, tot hij tenslotte uitdooft.

Deeltjesdouche

Deeltjesfysici bestuderen de ‘douche’ om te achterhalen waar dat eerste interstellaire deeltje vandaan kwam. ‘Maar wat ons vooral intrigeerde: die cascade van deeltjes bevat ook elektronen en positronen’, zegt Scholten. ‘En die sturen een radiopuls uit. Een ‘poing’.’

Die ‘poing’ is nu waar het allemaal om draait. Scholten en voormalig KVI-collega Stijn Buitink – nu werkzaam aan de Vrije Universiteit van Brussel – besloten de antennes van LOFAR te gebruiken, die bij Dwingeloo staan opgesteld op een ‘superterp’ van 300 meter doorsnee.

24 uur per dag

Door na een deeltjesdouche de signalen van verschillende antennes te combineren, hoopten de onderzoekers niet alleen te bepalen welk oppervlakte was geraakt, maar ook op welke hoogte de cascade zijn maximum had bereikt. ‘Je kunt het vergelijken met een zaklamp’, zegt Scholten. ‘Hoe hoger je de lamp houdt, hoe breder de lichtbundel.’

Deeltjesdouche boven LOFAR’s superterp / Illustratie Heino Falcke, Radboud Universiteit

Al snel bleek: de methode werkte. In 150 waarneemdagen werden 118 douches gemeten. ‘Het lukte zelfs beter dan de traditionele methode met camera’s waar het Auger Observatorium in Argentinië gebruik van maakt’, zegt Scholten. ‘Radiosignalen kun je 24 uur per dag meten en Auger werkt alleen als het nacht is en onbewolkt.’

Verweggistan

Vervolgens zochten de onderzoekers uit wat voor deeltjes de douche nu eigenlijk veroorzaakten: waren het voornamelijk ijzer- of koolstofatomen, die heel zwaar zijn, of eerder helium en protonen, die vele malen lichter zijn? En toen kwam de echte verrassing. ‘We verwachtten vooral veel lichte deeltjes te vinden – want deeltjes uit andere melkwegstelsels zijn vrij licht – en veel zware kernen. Maar wat we vonden waren vooral deeltjes met een massa daartussenin’, zegt Scholten. ‘Dat betekent dat ze uit ons eigen melkwegstelsel afkomstig zijn en niet ergens uit Verweggistan.’

‘Die supersnelle deeltjes komen dus niet ergens uit Verweggistan’
Maar waarvandaan precies? Wat zit er in ons melkwegstelsel dat een deeltje zo waanzinnig veel energie kan meegeven? Scholten weet het niet. Natuurlijk bevindt zich in ons melkwegstelsel een supermassief zwart gat, maar andere melkwegstelsels hebben dat ook. ‘En dan zou je juist meer van dergelijke deeltjes ‘van buiten’ verwachten.’ Ook is het denkbaar dat een deeltje dat wordt uitgezonden door een ster op een gaswolk ‘botst’ en zo een zwieper meekrijgt. ‘Als door een tennisracket’, speculeert Scholten.

Maar, waarschuwt hij, het blijft gissen.’Ik zeg altijd: ‘Schoenmaker, blijf bij je leest.’ Wij hebben de deeltjes onderzocht en hebben dit gevonden. Nu kan de internationale gemeenschap aan de slag om een antwoord te vinden op het tweede deel van het raadsel.’