PERSBERICHT
Dwingeloo, 19 may 2005
Ultrahoge energiedeeltjes uit de kosmos produceren een ongewoon radiolicht
Nieuwe radiotelescoop ziet en hoort de helderste radioflitsen aan de hemel
Een groep astrofysici heeft eerder deze week met LOPES, een voorloper
van de radioteles¬coop LOFAR die ultrahoge energiedeeltjes uit de
kosmos kan detecteren, ongekend snelle en heldere kosmische
radioflitsen geregistreerd. Het tijdschrift Nature besteedt deze week
aandacht aan deze tot dusver nauwelijks waargenomen kosmische
lichtflitsen die bijna een miljoen keer sneller dan normale bliksem en
ruim 1000 keer helderder dan de zon lijken te zijn. Heel even waren
deze flitsen, met een doorsnede van tweemaal die van de maan, het
helderste licht aan het firmament.
Het experiment toont aan dat de radioflitsen in de aardse atmosfeer
worden geproduceerd en worden veroorzaakt door de inslag van kosmische
deeltjes met een ultrahoge energetische waarde. Deze deeltjes wordt
aangeduid met de term ultrahoge kosmische energiestraling en hun
oorsprong is een puzzel die nog steeds moet worden opgelost. De hoop
van de astrofysici is nu dat hun ont¬dekking nieuw licht zal laten
schijnen op het mysterie van deze deeltjes.
De wetenschappers maakten gebruik van een reeks aaneengeschakelde
radio-antennes binnen een veld van deeltjesdetectoren van het KASCADE
Grande-experiment van het Forschungs¬zentrum in Karlsruhe (D). Zij
toonden aan dat bij elk kosmisch deeltje dat in de aardse atmosfeer
belandt, een overeenkomstige radiopuls in de richting van het
binnenko¬mende deeltje kon worden geregistreerd. Met behulp van
astronomische visualisatie¬technie¬ken heeft de groep zelfs digitale
filmbeelden van deze gebeurtenissen kunnen maken, die nu de snelste
filmpjes binnen de radioastronomie zijn. De deeltjesdetectoren
leverden de astro¬nomen de basis¬informatie over de binnenkomende
kosmische straling.
De onderzoekers bleken in staat om te bewijzen dat de sterkte van het
uitgezonden radio¬signaal een directe maatstaf is voor de energie van
de kosmische straling. "Het is verbazing¬wekkend dat wij met simpele
FM-radioantennes de energie van enkele van de kleinste deeltjes uit de
kos¬mos kunnen meten", vertelt Prof. Heino Falcke van het
radioastronomisch onderzoeks¬instituut ASTRON en bijzonder hoogleraar
aan de Radboud Universiteit Nijmegen, de initiator en supervisor van
het experiment. "Als onze ogen radiostraling zouden kunnen waarnemen,
zouden wij zien dat de hemel bezaaid is met radioflitsen", voegt hij
eraan toe.
Als detectoren gebruikten de wetenschappers antenneparen die
vergelijkbaar zijn met die van gewone FM-radioontvangers. "Het
belangrijkste verschil met normale radio's is gelegen in het feit dat
gebruik gemaakt wordt van digitale electronica en breedbandontvangers,
waarmee wij op vele frequenties tegelijkertijd kunnen luisteren", legt
natuurkundige Dipl. Phys. Andreas Horneffer. Dhr Horneffer is
postdoctoraal student aan de Radboud Universiteit Nijmegen en heeft de
antennes als onderdeel voor zijn doctoraalproject in Bonn
geinstalleerd.
In principe zijn enkele van de waargenomen radioflitsen sterk genoeg
om ervoor te zorgen dat de conventionele radio- en televisieontvangst
voor een korte periode worden onderbroken. Ter demonstratie van dit
effect heeft de groep hun radioontvangst van kosmische straling in een
geluidsopname ge¬converteerd (zie onder). Daar de lichtflitsen slechts
20-30 nanose¬conden duren en heldere slechts één maal per dag
voorkomen, zullen deze in het dagelijkse leven nauwelijks worden
herkend.
Het experiment heeft eveneens aangetoond dat de sterkte van de
radioemissie afhangt van de oriëntatie van het aardmagnetisch veld.
Het is één van de resultaten die de basis voorspellingen van
theoretische rekenmodellen van Prof. Falcke en een andere
doctoraal¬student, Tim Huege, en Prof. Peter Gorham van de
Universiteit van Hawaii bevestigen.
Voortdurend vindt er een bombardement van kosmische stralingsdeeltjes
op aarde plaats, die kleine explosies van elementaire deeltjes
veroorzaken; een stroom materiedeeltjes en anti-materiedeeltjes
flitsen door de atmosfeer. De deeltjes met de lichtste lading in deze
stroom, electronen en positronen, worden weerkaatst door het
geomagnetische veld van de aard, waardoor deze radiostraling
uitzenden. Dit type radiostraling is in principe zeer bekend door de
deeltjesversnellers op aarde en wordt synchrotrone radiostraling
genoemd. Vanwege de interactie met het aardmagnetisch veld spreken
spreken astrofysici nu, analoog hieraan, van "geosynchrotron
straling".
De radioflitsen zijn gedetecteerd door de LOPES-telescoop die is
opgesteld in het kader van het KASCADE Grande-experiment voor
kosmische deeltjesregens van het Forschungs¬zentrum Karlsruhe, (D).
KASCADE Grande is een toonaangevend experiment voor de meting van
kosmische straling.
De radiotelescoop LOPES (LOFAR Prototype Station) maakt gebruik van de
prototype-anten¬nes van de grootste radiotelescoop ter wereld, LOFAR ,
die vanaf 2006 in Neder¬land en delen van Duitsland zal worden
gebouwd. Het ontwerp van LOFAR breekt met alle tradities: een grote
hoeveelheid goedkope lage-frequentie antennes ontvangt alle kosmische
radiosignalen tegelijkertijd. De supercomputer Blue Gene/L van IBM,
aangesloten op het uiterst snelle glasvezel¬internet, heeft dan de
mogelijkheid om ongewone signalen te detecteren en afbeeldingen te
maken van belangwekkende hemelsectoren zonder dat hier mechanische
onderdelen aan te pas komen. "Met LOPES wordt duidelijk dat de eerste
belangrijke wetenschappelijke resultaten van het LOFAR-project al
tijdens de ontwikkelingsfase zijn te zien. Wij hebben er alle
vertrouwen in dat LOFAR inderdaad zo revolutionair zal zijn als wij
hoopten.", legt Prof. Harvey Butcher, directeur van het
radioastronomisch onderzoeksinstituut ASTRON te Dwingeloo (NL) uit,
waar LOFAR momenteel wordt ontwikkeld.
"Dit is inderdaad een ongewone combinatie, waarbij kernfysici en
radioastronomen samen¬werken om een uniek en zeer origineel
natuurkundig astrodeeltjesexperiment tot stand te brengen", verklaart
dr. Anton Zensus, directeur van het Max Planck Instituut voor
Radio¬astronomie (MPIfR) in Bonn, waar het initiatief werd genomen tot
het experiment. "Het plaveit de weg voor nieuwe detectiemethoden voor
deeltjesfysica en toont eveneens aan welke adembenemende mogelijkheden
de nieuwe generatie telescopen zoals LOFAR en in later instantie het
Square Kilometre Array (SKA) hebben. Plots komen belangrijke
internationale experimenten in verschillende wetenschappelijke
disciplines bij elkaar."
De astrofysici willen als volgende stap het komende LOFAR-array in
Nederland en Duitsland voor onderzoek naar kosmische straling
gebruiken en LOFAR-achtige radioantennes bij het enorm uitgebreide
experiment naar kosmische straling, genaamd "AUGER", in Argentinië
inzetten. De groep hoopt de nieuwe techniek te kunnen toepassen voor
de detectie en het begrijpen van de aard van de ultrahoge energetische
kosmische straling en daarenboven ook de ongrijpbare ultrahoge
energetische neutrino's te kunnen detecteren.
De ontdekking is deels bevestigd door een Franse groep die hiertoe de
grote radiotelescoop van het Parijse observatorium te Nançay heeft
gebruikt. Vanuit historisch perspectief dateert het onderzoek naar
radioemissie van kosmische straling uit de late jaren '60. In die tijd
werden de eerste claims gelegd dat deze straling werd gedetecteerd.
Met de toenmalige stand van de technologie kon echter geen bruikbare
informatie worden verzameld, zodat het onderzoek al vlug gestaakt werd
en er twijfels rezen rondom de resultaten. De belangrijkste
tekortkomingen waren het gebrek aan mogelijkheden tot visualisatie, de
lage tijdsresolutie en het gebrek aan een goed-gekalibreerde
detector-array. Al deze tekortkomingen zijn met het LOPES-experiment
overwonnen.
Persbericht (PDF)
Achtergrondinformatie:
Heino Falcke is de woordvoerder van het LOPES-samenwerkingsverband.
Hij ving met het experiment aan als staflid van het Max-Planck
Instituut voor Radioastronomie (MPIfR), waaraan hij nog steeds als
gastwetenschapper is verbonden. Hij is nu bijzonder hoogleraar aan de
Radboud Universiteit van Nijmengen en internationaal
projectwetenschapper van de LOFAR radiotelescoop bij het
onderzoeksinstituut voor radioastronomie ASTRON te Dwingeloo (NL).
Tim Huege en Andreas Horneffer waren doctoraalstudenten aan de
International Max-Planck Research School in Bonn (D). Huege is nu een
postdoc bij het Forschungszentrum Karls¬ruhe (D).
Andreas Haungs is werkzaam bij het instituut voor nuclaire fysica (IK)
van het Forschungs¬zentrum Karlsruhe, woordvoerder van het KASCADE
Grande-experiment en voorzitter van de LOPES-stuurcommissie.
LOPES is een samenwerkingsverband tussen ASTRON (Astronomisch
Onderzoek in Nederland, Dwingeloo, Nederland), het Max-Planck Institut
für Radioastro¬nomie (Bonn, Duitsland), de Radboud Universiteit
Nijmegen, het Forschungszentrum Karlsruhe (Duitsland) en het KASCADE
Grande samenwerkingsverband. Het KASCADE Grande samenwerkingsverband
bestaat uit groepen uit Duitsland, Polen, Roemenië en Italië.
Bron:
Falcke et al. 2005, Nature, May 19 issue, "Detection and localization
of atmospheric radio flashes from cosmic ray air showers"
Afbeeldingen:
Pyramidevormige antennes van het LOPES-experiment die zijn opgesteld
binnen het KASCADE-array, bestaande uit meer dan 250 huisjes met een
deeltjesdetector.
Film:
De afbeelding toont een valse-kleur radiokaart van een
gedeelte van de lage-frequentie radiohemel boven het LOPES-experiment
ten tijde van de inslag van de kosmische straling. De heldere bol in
het midden van de afbeelding is de radioflits. De hemelcoördinaten
zijn met groene lijnen aangeduid. De hiermee geassocieerde film toont
een tijdspanne van ééntiende microseconde voor en na deze gebeurtenis.
De radioflits licht op gedurende ongeveer 30 nanoseconden.
(Click on picture to enlarge)
Contact:
- Prof. Dr. Heino Falcke (ASTRON/Radboud Univ. Nijmegen), Mobiel
nummer: +31 6 51433474,
- Prof. Jan Kuijpers, Radboud Univ. Nijmegen, +31 24 365 2080,
De publicatie en de aanvullende resultaten worden gepresenteerd
tijdens de wetenschapworkshop van DESY, Zeuthen (nabij Berlijn), 17 -
19 mei, waarbij de bovenstaande contactpersoon aanwezig zal zijn.
Audio clip:
Het geluidsfragment is vervaardigd uit de gebeurtenis van een helder
kosmisch deeltje. De digitaal opgenomen radiogolven zijn kunstmatig
met factor 10.000 vertraagd en in geluids¬golven geconverteerd. De
fluittoon op de achtergrond is een televisiezender op afstand die op
62 MHz opereert. De impact van he kosmische deeltje kan akoestisch als
een kloppend geluid in het centrum van de stroom worden waargenomen.
Webpagina's:
Het LOPES-experiment: http://www.lopes-project.org
Het KASCADE Grande-experiment: http://www-ik.fzk.de/KASCADE-Grande/
Het LOFAR-project: http://www.lofar.nl
Het AUGER-experiment: http://www.auger.de/
Astrodeeltjesfysica in Nederland: http://www.astroparticlephysics.nl
ASTRON: http://www.astron.nl
Afdeling Sterrenkunde, Radboud Universiteit Nijmegen:
http://www.astro.ru.nl/