Elektronen met recordenergieën vangen telescopen

Abb. 2: Künstlerische Darstellung eines rotierenden Pulsars mit seinem starken Magnetfeld, das sich mit ihm dreht. Wolken geladener Teilchen bewegen sich entlang der Feldlinien und ihre Gammastrahlen werden wie ein Leuchtturmlicht von den Magnetfeldern ausgestrahlt. © NASA/Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab / Fig 2: Impression eines Künstlers von einem Pulsar mit seinem kraftvollen Magnetfeld, das sich um ihn dreht. Die Wolken geladener Teilchen, die sich entlang der Feldlinien bewegen, emittieren Gammastrahlen, die durch die Magnetfelder fokussiert werden, ähnlich wie die Lichtstrahlen eines Leuchtturms. In diesen Magnetfeldern werden Paare aus Positronen und Elektronen erzeugt und beschleunigt, wodurch Pulsare potenzielle Quellen hochenergetischer kosmischer Elektronen und Positronen sind. © NASA/Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab

Abb. 1: Visualisierung der H.E.S.S.-Teleskopanordnung zur Erfassung der Teilchenschauer, die von hochenergetischen kosmischen Elektronen und Positronen sowie von Gammastrahlen erzeugt werden. © MPIK/H.E.S.S. Collaboration / Fig. 1: Visualisation of the H.E.S.S. telescope array capturing the showers of particles produced by high-energy cosmic electrons and positrons, as well as gamma rays. © MPIK/H.E.S.S. Collaboration

Abb. 3: Energiespectrum van de CRe. De rode cirkels geven de door H.E.S.S. gemeten CRe-kandidaten aan. Het donkerrode bandje komt overeen met de gebroken krachtwet die op de gegevens is gefit, waarbij de breedte van het bandje overeenkomt met de statistische fouten van de metingen. Het lichtblauwe bandje geeft het geschatte bereik van de werkelijke CRe-stroom aan, waarbij CRn-verontreiniging evenals statistische en systematische fouten in overweging worden genomen. / Fig. 3: Energie spectrum van de CRe. De rode cirkels geven de door H.E.S.S. gemeten CRe-kandidaten aan. Het donkerrode bandje komt overeen met de gebroken krachtwet die op de gegevens is gefit, waarbij de breedte van het bandje overeenkomt met de statistische fouten van de metingen. Het lichtblauwe bandje geeft het geschatte bereik van de werkelijke CRe-stroom aan, waarbij CRn-verontreiniging evenals statistische en systematische fouten in overweging worden genomen.

Wetenschappers van de H.E.S.S.-samenwerking, waaronder een consortium van Duitse universiteiten, het Max-Planck-Institut für Kernphysik en het CNRS in Frankrijk, hebben onlangs de meest energierijke elektronen en positronen geïdentificeerd die ooit op aarde zijn gemeten. Ze leveren bewijs voor kosmische processen die enorme hoeveelheden energie vrijmaken, waarvan de oorsprong nog onbekend is. Deze resultaten worden op 25 november gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review Letters.

Het universum is vol extreme omgevingen, van de koudste temperaturen tot de energierijkste bronnen. Extreme objecten zoals supernova-restanten, pulsars of actieve galactische kernen kunnen geladen deeltjes en gammastraling genereren, waarvan de energie vele grootheden overschrijdt die bij thermische processen zoals kernfusie in sterren worden bereikt.

Terwijl het uitgezonden gammastraling ongestoord door de ruimte reist, worden de geladen deeltjes - ook kosmische straling genoemd - afgebogen door de alomtegenwoordige magnetische velden in het universum en bereiken ze de aarde gelijkmatig vanuit alle richtingen. Bovendien verliezen de geladen deeltjes daarbij energie door interactie met licht en magnetische velden. Deze verliezen zijn vooral sterk bij de energierijkste elektronen en positronen met energieën boven Tera-elektronenvolt (1 TeV = 10^12 elektronvolt), de elektronen van de kosmische straling (CRe). Hun detectie op aarde is daarom een duidelijk teken van de aanwezigheid van sterke kosmische deeltjesversnellers in de buurt van ons zonnestelsel, ook al kunnen ze niet worden gebruikt om hun oorsprong in de ruimte te bepalen.

Het detecteren van deze hoogenergetische deeltjes is echter moeilijk: ruimtegebaseerde telescopen met een detectievlak van ongeveer een vierkante meter kunnen niet genoeg van de zeldzame deeltjes opvangen. Aardgebonden instrumenten kunnen wel de deeltjesketsen detecteren die ontstaan bij de botsing van kosmische deeltjes met de atmosfeer van de aarde, maar staan voor de uitdaging om de door elektronen of positronen veroorzaakte ketsen te onderscheiden van de veel vaker voorkomende ketsen die ontstaan door de inslag van zwaardere kosmische kernen. In 2008 slaagden onderzoekers er voor het eerst in om deze CRe in de gegevens van de op de grond geplaatste H.E.S.S.-Cherenkov-telescoop te identificeren.

Het H.E.S.S.-observatorium in Namibië gebruikt vijf grote atmosferische Cherenkov-telescopen om het zwakke Cherenkov-licht te detecteren dat wordt uitgezonden door geladen deeltjes en fotonen die door de atmosfeer van onze planeet dringen en zo een deeltjeskets veroorzaken (Figuur 1). Hoewel het H.E.S.S.-observatorium primair bedoeld is om gammastralen te detecteren, te selecteren en hun bronnen te meten, kunnen de gegevens ook worden gebruikt voor de zoektocht naar kosmische elektronen.

In een nieuwe analyse, gepresenteerd door wetenschappers van de H.E.S.S.-samenwerking, zijn nieuwe inzichten verkregen over de oorsprong van deze deeltjes. In hun studie evalueerden de astrofysici de enorme dataset die over meer dan tien jaar door vier van de H.E.S.S.-telescoop verzameld was, opnieuw en pasten ze nieuwe en strenge selectiemethoden toe om kosmische elektronen met een ongeëvenaard lage achtergrondcontaminatie te identificeren. Dit leidde tot een nog nooit eerder vertoond statistisch dataset voor de analyse van de kosmische elektronen. Vooral konden de onderzoekers voor het eerst CRe-gegevens verzamelen in de hoogste energiebereiken tot 40 TeV (Tera-elektronenvolt).

"We zien dat het energiedistributiespectrum van de CRe bij toenemende energie een zachte afname vertoont, maar rond ongeveer 1 Tera-elektronenvolt wordt het spectrum plotseling veel steiler. Zowel boven als onder deze breuk volgt het spectrum een machtswet en bevat het geen verdere opvallende kenmerken, zoals door veel modellen voor de CRe-versnelling werd voorspeld," merkt Mathieu de Naurois op van het Laboratoire Leprince-Ringuet, École Polytechnique, CNRS, een van de hoofdauteurs van de studie.

De onderzoekers ontdekten echter dat de overgang van het vlakke naar het steile deel van het energiedistributiespectrum bij ongeveer 1 Tera-elektronenvolt verrassend scherp is.

„Dit is een belangrijk resultaat, omdat we hieruit kunnen concluderen dat de gemeten kosmische straling hoogstwaarschijnlijk slechts afkomstig is van enkele bronnen in de buurt van ons eigen zonnestelsel, die op maximaal enkele duizenden lichtjaren afstand liggen - een zeer korte afstand in vergelijking met de omvang van onze melkweg. Emissies van zeer veel bronnen op verschillende afstanden zouden dit signaal veel sterker verstrooien,” legt Kathrin Egberts van de Universiteit Potsdam uit, een andere leidende auteur van de studie. „Met onze gedetailleerde analyse konden we voor het eerst de herkomst van deze kosmische elektronen sterk beperken.”

Prof. Werner Hofmann van het Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg licht het belang van de nieuwe analyse voor de astrofysische wetenschap toe: „De zeer lage fluxen bij hoge energieën beperken sterk de mogelijkheden van ruimtegebaseerde missies om soortgelijke metingen uit te voeren. Onze analyse levert nu gegevens in een cruciaal en tot nu toe onontdekt energiebereik, die ons begrip van de lokale omgeving beïnvloeden. Ze zal daarom waarschijnlijk de maatstaf blijven voor dit energiebereik op korte termijn,” vat hij samen.

Het H.E.S.S.-observatorium

Hoge-energetische gammastralen kunnen vanaf de aarde alleen met een truc worden waargenomen. Wanneer een gammastraal de atmosfeer binnendringt, botst hij met atomen en moleculen en creëert nieuwe deeltjes die als een lawine op de grond afstormen. Deze deeltjes zenden bliksemflitsen uit die slechts enkele miljardsten van een seconde duren (Cherenkov-straling) en met speciale grote telescopen op de grond kunnen worden waargenomen. De hoge-energetische gammastralenastronomie gebruikt de atmosfeer dus als een enorme lichtbak. Het H.E.S.S.-observatorium in de Khomas-hooglanden van Namibië, op 1835 meter hoogte, werd in 2002 officieel in gebruik genomen. Het bestaat uit een array van vijf telescopen. Vier telescopen met een spiegeldiameter van 12 meter bevinden zich aan de hoeken van een vierkant, een andere 28-meter-telescoop bevindt zich in het midden. Hiermee kunnen kosmische gammastraling worden gedetecteerd in het bereik van enkele tientallen Giga-elektronenvolt (GeV, 10^9 elektronvolt) tot enkele tientallen Tera-elektronenvolt (TeV, 10^12 elektronvolt). Ter vergelijking: de energie van zichtbaar licht ligt tussen twee en drie elektronvolt. H.E.S.S. is momenteel het enige instrument dat de zuidhemel in hoogenergetisch gammastraling observeert, en tegelijk het grootste en meest gevoelige telescopensysteem van zijn soort.

Bibliografie:
High-Statistics Measurement of the Cosmic-Ray Electron Spectrum with H.E.S.S.
H.E.S.S. Collaboratie. Physical Review Letters, 25 november 2024.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.221001
arXiv: http://arxiv.org/abs/2411.08189