De ongrijpbare deeltjes zouden moeilijk te vangen zijn, maar ze zouden een rokend pistool zijn, zeggen onderzoekers
Al meer dan een decennium hebben astronomen zich verbaasd over de oorsprong van snelle radio-uitbarstingen, korte uitbarstingen van radiogolven die voornamelijk afkomstig zijn van verre sterrenstelsels. In diezelfde periode hebben wetenschappers ook hoogenergetische neutrino’s ontdekt, spookachtige deeltjes van buiten de Melkweg waarvan de oorsprong ook onbekend is.
Een nieuwe theorie suggereert dat de twee raadselachtige signalen kunnen afkomstig zijn van een enkele kosmische bron: zeer actieve en gemagnetiseerde neutronensterren, magnetars genaamd. Als dat waar is, zou dat de details kunnen invullen van hoe snel radio-bursts of FRB’s optreden. Het vinden van het “rokende pistool” – het opvangen van een gelijktijdige neutrino- en radiostoot van dezelfde magnetar – zal echter een uitdaging zijn, omdat dergelijke neutrino’s zeldzaam en moeilijk te vinden zijn, zegt astrofysicus Brian Metzger van Columbia University. Hij en zijn collega’s beschreven het idee in een studie die op 1 september op arXiv.org werd geplaatst.
Toch “geeft dit artikel een mogelijk verband tussen wat volgens mij twee van de meest opwindende mysteries in de astrofysica zijn”, zegt astrofysicus Justin Vandenbroucke van de University of Wisconsin-Madison, die op neutrino’s jaagt maar niet betrokken was bij het nieuwe werk.
Er zijn meer dan 100 snelle radioflitsen gedetecteerd, maar de meeste zijn te ver weg voor astronomen om te zien wat de energie-uitbarstingen aandrijft. Tientallen mogelijke verklaringen zijn besproken, van botsingen met sterren tot superzware zwarte gaten tot roterende stellaire lijken die pulsars worden genoemd tot pulsars die in een baan rond zwarte gaten draaien (SN: 1/10/18). Sommige astronomen hebben zelfs signalen van buitenaardse wezens opgeroepen.
Maar in de afgelopen jaren zijn magnetars naar voren gekomen als een van de beste kanshebbers. “We weten niet wat de motoren zijn van snelle radio-uitbarstingen, maar er is een groeiend vertrouwen dat een deel daarvan afkomstig is van uitflakkerende magnetars”, zegt Metzger.
Dat vertrouwen kreeg een boost in april, toen astronomen de eerste radioflitsen ontdekten die vanuit het Melkwegstelsel kwam (SN: 6/4/20). De uitbarsting was zo dichtbij – ongeveer 30.000 lichtjaar verwijderd – dat astronomen het terug konden traceren naar een jonge, actieve magnetar genaamd SGR 1935 + 2154. “Het is echt als een Rosetta-steen om FRB’s te begrijpen”, zegt Vandenbroucke.
Er zijn verschillende manieren waarop magnetars de uitbarstingen kunnen uitzenden, zegt Metzger. De uitbarstingen van radiogolven kunnen bijvoorbeeld van dichtbij het oppervlak van de neutronenster komen. Of schokgolven die worden geproduceerd nadat de magnetar een energetische lichtflits heeft uitgestoten, vergelijkbaar met die van de zon, kunnen de radiogolven creëren.
Alleen die schokgolven zouden tegelijkertijd neutrino’s en snelle radio-uitbarstingen produceren, zegt Metzger. Dit is hoe: sommige magnetars zenden herhaaldelijk fakkels uit, waardoor hun omgeving wordt verrijkt met geladen deeltjes. Cruciaal is dat elke fakkel enkele protonen uit het oppervlak van de neutronenster zou opgraven. Andere situaties zouden een magnetar een halo van elektronen kunnen geven, maar protonen zouden alleen van de magnetar zelf komen. Als de magnetar een halo van elektronen heeft, vormt het toevoegen van protonen aan de mix het toneel voor de dubbele dosis kosmische verschijnselen.
Als de volgende uitbarsting in de protonen botst die door de vorige uitbarsting zijn vrijgegeven, zou hij protonen en elektronen met dezelfde snelheden in dezelfde richting versnellen. Deze “geordende dans” van elektronen zou kunnen leiden tot de snelle radioflitsen door de energie van de beweging van de elektronen om te zetten in radiogolven, zegt Metzger. En de protonen zouden een kettingreactie kunnen ondergaan die resulteert in een enkele hoogenergetische neutrino per proton.
Samen met astrofysici Ke Fang van Stanford University en Ben Margalit van de University of California, Berkeley, berekende Metzger de energieën van eventuele neutrino’s die zouden zijn geproduceerd door de snelle radioflitsen in april. Het team ontdekte dat die energieën overeenkwamen met die die konden worden gedetecteerd door de IceCube neutrino-observatorium op Antarctica.
Maar IceCube heeft in april geen neutrino’s van die magnetar gedetecteerd, zegt Vandenbroucke, die sinds 2016 op zoek is naar tekenen van neutrino’s van snelle radioflitsen in IceCube-gegevens. Dat is echter niet verwonderlijk. Omdat verwacht wordt dat neutrino’s van FRB’s zeldzaam zijn, zal het opsporen ervan een uitdaging zijn, en zou waarschijnlijk een bijzonder heldere magnetar flare nodig zijn om direct op de aarde gericht te zijn.
Vandenbroucke heeft met zijn studenten weddenschappen gesloten over andere aspecten van hun onderzoek, maar hij zegt dat hij er geen geld aan zal besteden of hij tijdens zijn leven een neutrino zal zien van een snelle radio-burst. “Er is te veel onzekerheid”, zegt hij.
Toch is hij optimistisch. ‘Zelfs een neutrino uit een [fast radio burst] zou een ontdekking zijn, en er zou maar één gelukkige FRB nodig zijn om een detecteerbare neutrino te produceren ”, zegt hij.