Nadat in het experiment IceCube een enkel neutrino met hoge energie was waargenomen, kwam een heel scala aan telescopen in actie. Samen konden ze de herkomst van het deeltje bepalen.
 

Animatie van de complete IceCube-detector (links), met rechts een opengewerkte detectorbol.


Sinds een aantal jaar detecteert IceCube af en toe neutrino’s met een opvallend hoge energie die afkomstig moeten zijn uit het heelal – maar waar ze precies vandaan kwamen, was onduidelijk. Nu lijkt het eindelijk gelukt om de bron van zo’n neutrino te achterhalen: hij komt uit een blazar, oftewel: een superzwaar zwart gat in het hart van een sterrenstelsel dat een straal materie uitstoot in onze richting. Van zulke objecten werd al langer vermoed dat ze verantwoordelijk zijn voor het uitzenden van kosmische straling en neutrino’s met extreem hoge energieën, maar overtuigend bewijs daarvoor ontbrak tot nu toe.

IceCube, een geheel van ruim vijfduizend sensoren in het zuidpoolijs (lees hier een artikel over IceCube uit De Ingenieur van 2006, pdf), mat het neutrino op 22 september 2017, om 20.54 uur (UTC). 43 seconden later ging er een automatische waarschuwing naar andere observatoria wereldwijd. Hierin was een eerste schatting opgenomen van de plek waar het neutrino op basis van de IceCube-sensoren vandaan leek te komen. Zo’n vier uur later, na een eerste analyse van de meetgegevens, kon IceCube een preciezere locatie doorsturen.
 

Extra veel gammastraling

Onder andere het team achter de Fermi Gamma-ray Space Telescope kwam in actie. Een week na de ontdekking kon dat melden dat de door IceCube aangewezen plek aan de hemel correspondeerde met een bekende bron die op dat moment extra veel gammastraling uitstootte. Het bleek te gaan om de blazar met de ‘naam’ TXS 0506+056, die zich zo’n 3,7 miljard lichtjaar hiervandaan bevindt. De Italiaanse ruimtetelescoop AGILE kon bevestigen dat de blazar in kwestie in september 2017 inderdaad bovengemiddeld actief was.

Ook telescopen op aarde deden mee. Onder meer betrof het hier telescopen die de atmosfeer in de gaten houden, om indirecte tekenen van gammastraling uit het heelal te zien. Zo deed de telescoop HESS in Namibië ruim een uur aan waarnemingen, krap vier uur na het neutrino alert van IceCube, gevolgd door VERITAS (Arizona, VS) en MAGIC (La Palma, Canarische Eilanden). Aanvankelijk zagen die niets bijzonders, maar in de periode van 28 september tot 4 oktober 2017 kon MAGIC in dertien uur waarneemtijd wél gammastraling met hoge energie vastleggen.
 

Kaartje met follow-up-waarnemingen IceCube
Op dit kaartje zijn de telescopen weergegeven die naar aanleiding van een waarschuwing van neutrino-observatorium IceCube in actie kwamen. Illustratie: Nicolle R. Fuller/NSF/IceCube.

 

Radiostraling, zichtbaar licht en röntgenstraling

De Very Large Array, een verzameling van 27 radiotelescopen in Arizona, en het Owens Valley Radio Observatory in Californië konden verder melden dat TXS 0506+056 in de anderhalf jaar vóór de neutrinodetectie van IceCube geleidelijk steeds meer radiostraling uitzond. Een groot aantal optische telescopen bevestigde dat de vermoedelijke bron van het neutrino ook in het zichtbare deel van het elektromagnetisch spectrum allerlei veranderingen vertoonde. 

De ruimtetelescopen Swift, NuSTAR en INTEGRAL, alsmede de ISS-camera GSC, zochten tot slot naar röntgenstraling die mogelijk van TXS 0506+056 afkomstig was. Swift en NuSTAR vonden die daadwerkelijk.
 

Maar één neutrino

Hoewel dus lang niet alle telescopen die in actie kwamen na de melding van IceCube daadwerkelijk iets zagen, becijferen de onderzoekers in Science toch dat de kans dat het neutrino niet afkomstig is van de blazar bijzonder klein is. ‘Blazars die gammastraling uitzenden zijn sterke kandidaat-bronnen voor minstens een deel van de geobserveerde neutrino’s uit het heelal’, concluderen ze dan ook in hun artikel in Science.

Daarmee is dan mogelijk ook de bron van (een deel van) de kosmische straling met hoge energie gevonden. Deze straling bestaat uit deeltjes met een elektrische lading, waardoor ze niet in een rechte lijn door het heelal vliegen; hun banen worden afgebogen door de magnetische velden die ze onderweg tegenkomen. Daardoor is niet te achterhalen waar ze oorspronkelijk vandaan kwamen. Voor neutrino's, die tegelijkertijd met de kosmische straling ontstaan, geldt dat echter niet: deze vederlichte, neutrale deeltjes worden nauwelijks gehinderd in hun tocht door de ruimte. Hierdoor worden ze gezien als een goede manier om de herkomst van kosmische straling te bepalen.

Jammer is alleen dat het in dit geval gaat om de waarneming van maar één enkel neutrino. Daar is maar weinig uit af te leiden over hoeveel neutrino’s een blazar produceert, hoe dat precies in zijn werk gaat, enzovoort. Dat zal dus uit toekomstige waarnemingen moeten blijken.


Meerdere boodschappers

Hoe dan ook is de waarneming een mooi nieuw voorbeeld van het opkomende vakgebied van de multimessenger-astrofysica, oftewel: sterrenkunde waarbij verschillende soorten signalen worden gemeten van hetzelfde object of dezelfde gebeurtenis. Eerder was dat al het geval toen er zowel zwaartekrachtgolven als gammastraling werden waargenomen afkomstig van een botsing tussen twee neutronensterren. (Lees: 'Zwaartekrachtgolven en licht uit zelfde bron waargenomen'.)

Openingsfoto: de gebouwen van IceCube op de Zuidpool. (IceCube/NSF)