In een ver sterrenstelsel heeft een superzwaar zwart gat een ster aan stukken gescheurd. Voor het eerst hebben astronomen een neutrino waargenomen dat afkomstig is van een dergelijke gewelddadige gebeurtenis.
Neutrino’s zijn minuscule deeltjes die bijna nooit een interactie aangaan met andere materie. Daardoor zijn ze extreem moeilijk te detecteren. Op 1 oktober 2019 nam neutrinodetector IceCube op Antarctica een neutrino waar met veel energie, dat van buiten ons melkwegstelsel leek te komen.
Ondertussen gebruikte het team van de Duitse astronoom Robert Stein de telescoop van de Zwicky Transient Facility in Californië om een ster te bekijken die dicht bij een superzwaar zwart gat was gekomen. De extreme zwaartekracht van het zwarte gat scheurde de ster uiteen – een gebeurtenis die ook wel een tidal disruption event of TDE wordt genoemd. De TDE en het IceCube-neutrino kwamen beide van dezelfde plaats aan de hemel, wat erop wijst dat de uiteengereten ster het neutrino kan hebben geproduceerd.
‘Theoreten hadden al voorgesteld dat sommige neutrino’s afkomstig zouden kunnen zijn van TDE’s. Dit is een waarneming die deze bewering ondersteunt’, zegt Stein.
Een halfjaar te laat
Om een neutrino met veel energie te produceren, moet een deeltje – meestal een proton – versneld worden tot een buitengewoon hoge snelheid. Vervolgens moet het botsen met een ander proton of een foton, waardoor het uiteenvalt in kleinere deeltjes, waaronder neutrino’s.
Er zijn maar weinig gebeurtenissen in het heelal die de hoge versnelling opleveren die vereist is om hoogenergetische neutrino’s te maken. Nu lijkt het erop dat ook TDE’s dat kunnen.
We weten echter niet hoe de versnelling van de deeltjes precies in zijn werk gaat. Wat de meting vreemd maakt, is dat het neutrino pas 154 dagen na de grootste activiteit van de TDE verscheen.
‘Je moet verklaren waarom het neutrino zo laat na de piek komt – het neutrino kwam een halfjaar later’, zegt astrodeeltjesfysicus Walter Winter van DESY, het Duitse nationale laboratorium voor hoge-energiefysica waar ook Stein werkt. ‘Dat zou je natuurlijk niet verwachten.’
Uitgespuugde klodders
Samen met Cecilia Lunardini van de staatsuniversiteit van Arizona bedacht Winter een scenario dat kan verklaren waarom het neutrino zo laat arriveerde. Nadat de ster in een TDE uit elkaar is gescheurd, spreidt zijn materie zich uit in een schijf rond het zwarte gat. Winter en Lunardini opperen dat krachtige magnetische velden een deel van deze materie naar de plek kunnen leiden waar een krachtige materiestraal het zwart gat uit spuit. Die straal zou de deeltjes tot hoge snelheden kunnen versnellen.
‘We hebben een soort kegelvormige straal die klodders materie uitspuugt’, zegt Lunardini. ‘De protonen worden versneld bij de botsingen van deze klodders.’
Maar om een neutrino te maken, moeten de snel bewegende protonen wel nog met een ander deeltje botsen. De onderzoekers stellen dat de vertraging veroorzaakt kan zijn doordat het even duurde voordat er genoeg andere type deeltjes – fotonen – aanwezig waren. De hoeveelheid fotonen bouwt geleidelijk op rond het zwarte gat, in een soort wolk van licht. Naarmate het aantal deeltjes groeit, is de kans op een botsing tussen protonen en fotonen groter.
Belangrijke bron
Uit röntgenwaarnemingen bleek dat deze TDE weliswaar meer röntgenstraling uitzond dan de meeste andere, maar dat de hoeveelheid straling snel afnam toen het neutrino werd geproduceerd. Winter en Lunardini zeggen dat dit zou kunnen komen doordat de fotonenwolk de röntgenstraling verduistert. Tegelijkertijd biedt het de protonen iets om tegenaan te botsen, waardoor neutrino’s ontstaan.
‘Als dit klopt, dan weten we dat TDE’s een belangrijke bron van neutrino’s zijn’, zegt Lunardini. ‘Het suggereert dat TDE’s die bijzonder helder zijn in röntgenstraling van speciaal belang zouden moeten zijn en dat we ze misschien meer moeten onderzoeken.’
