Wat sigarettenrook ons leert over kosmische flitsen

De nochtans erg krachtige lichtbundel van de Oostendse vuurtoren is maar klein bier vergeleken met de gammaflitsen die elke dag plaatsvinden, stille getuigen van de meest intense explosies in ons universum. Turbulente processen, zoals die aanwezig zijn in de rook van een ordinaire sigaret, lijken aan de basis te liggen van die uitbarstingen van gammastraling. Toch vind ik in mijn scriptie dat dat niet voor elke gammaflits geldt, en al zeker niet voor de mysterieuze voorloperflits, waarvan niemand weet wat hij is.

Wat slechts een oplichtend puntje aan de hemel is, herbergt de ontploffing of samensmelting van sterren, waarbij het licht en de materie naar buiten worden geslingerd volgens twee tegenoverstaande bundels, net zoals bij een vuurtoren.  (NASA’s Goddard Space Flight Center; Inzet: NASA, ESA, CSA, STScI, A. Levan (Radboud Universiteit); Beeldverwerking: Gladys Kober)

 

Niet toevallig zeggen we – en dan vooral van leukere dingen – dat ze in een flits weer voorbij zijn. Zo vergaat het ook de gammaflits: kort en ver weg, nauwelijks waar te nemen. Sommige gammaflitsen dragen een stempel van turbulentie, maar uit mijn onderzoek blijkt dat minder voorkomende gammaflitsen hierdoor niet gekenmerkt worden. Hoe kan dat? Reis even mee door de wereld der kosmische flitsen.

Pardon, gammaflitsen?

Wanneer twee sterren botsen en samensmelten, of wanneer sterren op het einde van hun leven ontploffen als een supernova, kan dat gepaard gaan met een korte, heldere flits van gammastraling. Vanuit het centrum van de explosie, waar zich een neutronenster of zwart gat vormt, worden twee tegenoverstaande lichtbundels de interstellaire ruimte ingeschoten. De gammastraling van die bundels licht op en dooft opnieuw uit in minder dan enkele minuten tijd. Dat noemen we de gammaflits.

Hoewel de lichtbundels zich over een afstand van lichtjaren uitstrekken, staat de bron zo ver weg dat ze maar als een klein lichtpuntje aan onze hemel verschijnen. De gammaflits is van korte duur en bevindt zich ver weg: twee niet zo wenselijke eigenschappen in de astrofysica. Wetenschappers slagen er maar niet in om deze flitsen te doorgronden. De gammastraling kan geproduceerd worden door deeltjes die versneld worden tot bijna de lichtsnelheid. Vermoedelijk gebeurt dat in de lichtbundels, maar hoe dan, en welke deeltjes zijn dat? Komen er exotische deeltjes, zoals neutrinos, vrij? Waar komt al die energie vandaan? Wat gebeurt er in dat hete centrum? Allemaal vragen waar we al meer dan vijftig jaar een antwoord op zoeken.

Het productieproces laat als het ware haar vingerafdruk achter op de lichtdeeltjes.

Vingerafdruk van het ontstaansproces

De enige manier tot nu toe om gammaflitsen te bestuderen, is via de straling die ze uitzenden. We weten al langer dat de gammastraling die vrijkomt zekere kenmerken vertoont die te maken hebben met het proces waarin ze ontstaat. Het productieproces laat als het ware haar vingerafdruk achter op de lichtdeeltjes. Dat betekent dat we, door de straling die we hier op aarde ontvangen te bestuderen, informatie kunnen vergaren over de processen die plaatsvinden in de gammaflitsen, die lichtjaren van ons verwijderd zijn. Gelukkig! We moeten er dus geen satelliet naartoe sturen. Die zou immers miljoenen jaren onderweg zijn.

Vermoed wordt dat turbulente processen aan de basis liggen van de gammastraling. Het fenomeen turbulentie kennen we vanop het vliegtuig, wanneer we in een onregelmatige of verstoorde luchtstroming terechtkomen, maar in een andere vorm komen we het ook tegen in (sigaretten)rook. Als u die wat in detail bekijkt, ziet u hoe de rook meandert, waarbij de rook grote en kleine kringen maakt. Dat is precies wat we ook verwachten in gammaflitsen. De deeltjes die de gammastraling uitzenden, wervelen rond en worden versneld in gelijkaardige kringen en kronkelingen, die hun stempel achterlaten op de straling. Die stempel van turbulentie heb ik inderdaad teruggevonden bij het bestuderen van mijn selectie gammaflitsen.

In sigarettenrook komen onregelmatige bewegingen voor, een goed voorbeeld van turbulente stromingen.

Niet elke flits heeft dezelfde vingerafdruk

Maar die stempel is niet aanwezig bij alle gammaflitsen. Bij het vergelijken van verschillende types flitsen – korte, lange, heldere, minder heldere, en de verschillende fases van de flits – zag ik dat enkel lange gammaflitsen met een gemiddelde helderheid die tekenen van turbulentie meedragen. Het zijn voornamelijk die die tot nu toe onderzocht zijn in de literatuur, en waarop deze turbulentietheorie gebouwd is. In mijn scriptie werden echter voor de eerste keer ook minder voorkomende gammaflitsen geanalyseerd, zoals zeer heldere flitsen en de voorloperflits. Dat is een nog kortere flits die de hoofdflits, tijdens welke de meeste gammastraling wordt uitgezonden, voorafgaat. Er is amper kennis over die voorloper, maar mijn onderzoek licht een tipje van de sluier op. We zien immers dat de hoofdflits wel ontstaat uit turbulentie, maar in de voorloperflits ontbreekt dat. Wetende dat de eigenschappen van de gammastraling de vingerafdruk van haar ontstaan tonen, kunnen we besluiten dat de voorloper en de hoofdfase op een andere plek of op een ander moment in de gammaflits worden geproduceerd. Ze hebben dus niets met elkaar te maken. Dat is een volstrekt nieuw inzicht. Ook zag ik in mijn onderzoek dat de helderste gammaflitsen evenmin een stempel van turbulentie bevatten. Hoe dat komt, is nog een raadsel. Misschien werden we zo verblind door de flits dat we de turbulentie gewoon niet kunnen waarnemen?

En dan?

Turbulente stromingen in de lichtbundels vormen de wieg voor bepaalde gammaflitsen, maar dat geldt niet voor alle flitsen. Hoe dat kan, moet verder onderzoek uitwijzen. Het onderzoeken van de stempels die de interne processen drukken op de gammastralen is echter veelbelovend; wat kunnen we nog achterhalen over de mysterieuze voorloperflits? Waar ontstaat hij, als hij niet bij de hoofdflits hoort? Wat maakt de lichtbundels zo turbulent? Welke deeltjes worden versneld?

Gammaflitsen herbergen kennis over het ontstaan van zwarte gaten, exotische deeltjes en de dood van sterren. Daarom proberen we gammaflitsen te begrijpen, opdat zij op hun beurt hun licht kunnen schijnen op andere mysteries. Denkt u dus alvast eens aan deze flitsen de volgende keer dat u het licht van de vuurtoren aanschouwt, of wanneer u aan uw sigaret lurkt.