Diep onder het ijs in Antarctica huist een enorme detector, de grootste ter wereld. Het apparaat, IceCube, is een kubieke kilometer groot en bestaat uit duizenden lichtsensoren die via kabels met elkaar verbonden zijn. Het doel: de oorsprong van kosmische straling achterhalen.
Het verhaal van IceCube begint zo’n 100 jaar geleden, met de ontdekking dat er zoiets bestaat als kosmische straling. De aarde wordt voortdurend bestookt met die straling, die bestaat uit deeltjes zoals protonen en elektronen. Sinds de ontdekking ervan zoeken wetenschappers naar antwoorden op vragen als: over welke deeltjes gaat het en van waar komen ze precies? Allemaal om het heelal beter te begrijpen.
Ook UGent’ers speuren mee naar antwoorden, met emeritus professor Dirk Ryckbosch als de grote trekker. Hij slaagde erin er een vast onderzoeksproject van te maken, dat intussen al 18 jaar loopt.
Om te beginnen: wat is IceCube en wat doet het precies?
Dirk Ryckbosch: “IceCube is een enorme detector die twee kilometer diep in het ijs van Antarctica zit. Sinds 2010 speurt die 24/7 naar neutrino’s: deeltjes die voorkomen in kosmische straling. De neutrino’s produceren een kleine lichtflits als ze interageren met materiaal, en die flits wordt gedetecteerd door de lichtsensoren in IceCube. De meeste neutrino’s die we vinden, zijn nog maar net ontstaan: bij de botsing van de kosmische straling met onze atmosfeer. Die zijn minder interessant voor ons. Maar sommige, met hogere energieën, komen van ergens uit het heelal, vaak dwars door de aarde heen. Om die neutrino’s is het ons te doen.”
Waarom die focus op neutrino’s?
“Het doel van IceCube is om te achterhalen waar kosmische straling vandaan komt, want dat wisten we eigenlijk nog niet. De meeste deeltjes waaruit de kosmische straling bestaat, zijn elektrisch geladen. Dat betekent dat ze afbuigen door magneetvelden. Als je de oorsprong van de straling probeert te traceren aan de hand van die deeltjes, dan kan je het pad door al die afbuigingen maar moeilijk reconstrueren. Dus moet je werken met deeltjes die niet elektrisch geladen zijn: licht of neutrino’s. Maar licht wordt onderweg te veel tegengehouden door bijvoorbeeld gas en stof. Blijven enkel neutrino’s nog over. Het interessante aan deze elementaire deeltjes is dat ze rechtdoor en overal dwars doorheen gaan. Als je de baan van zo’n neutrino reconstrueert, dan weet je perfect van waar die afkomstig is.”
Waarom heb je daar een megaconstructie in het ijs van de Zuidpool voor nodig?
“Het grote nadeel aan neutrino’s is dat ze zeer moeilijk waarneembaar zijn. Ze interageren wel met materiaal, maar heel zwak - dat wil zeggen: uiterst zelden. Elke seconde vliegen er miljarden neutrino’s, afkomstig uit de zon, dwars door ons heen, maar daar merken we niets van. Enkel een gigantisch grote detector kan neutrino’s opsporen en zelfs dan nog is de kans zeer klein. Je hebt dus een locatie nodig waar plaats genoeg is om een grote detector te bouwen en waar voldoende transparant materiaal is om die zwakke lichtflitsjes te registreren. Het ijs op de Zuidpool is het meest heldere ijs ter wereld en een van de meest transparante materialen op aarde. Zelfs als het honderden meters dik is, kan je met de juiste sensoren nog steeds de lichtflitsen ‘zien’.”
IceCube is sinds 2010 operationeel. Wat is er in die tijd ontdekt?
“Het heeft tot 2013 geduurd voor we buitenaardse neutrino’s, die buiten onze atmosfeer ontstaan, waargenomen hebben. Maar dat waren er niet veel, enkele tientallen per jaar. Het gevolg is dat we weinig zinnig konden zeggen over de afkomst. Er was te weinig data. Pas in 2017-18 waren er voldoende waarnemingen om ‘concentraties’ af te leiden, plaatsen waar we veel neutrino’s aan konden linken. Nu zijn we weer zes jaar verder en zijn we zeker: we vonden drie plaatsen in het heelal waar veel kosmische straling vandaan komt. Twee hadden we verwacht: het vlak van ons Melkwegstelsel en een sterrenstelsel in onze buurt, met een zeer actief en groot zwart gat. Maar de derde locatie was een verrassing: het gaat over deeltjes die afkomstig zijn van een sterrenstelsel dat maar liefst 5 miljard lichtjaar van ons verwijderd ligt.”
Wat zegt dat ons?
“Nu kunnen we de fenomenen die daar plaatsvinden, verder onderzoeken. Het gaat hier over de meest gewelddadige gebeurtenissen in het heelal. We vermoeden al langer dat er in het centrum van alle sterrenstelsels een zeer zwaar zwart gat zit. Die zwarte gaten voeden zich met materie, het ene al actiever dan het andere, en bij dat proces komen er enorme energieën vrij, een deel daarvan in de vorm van kosmische straling. Dat we die straling nu kunnen waarnemen geeft ons een nieuw venster om naar het heelal te kijken. Ze botst ook met de gewone materie in bijvoorbeeld het vlak van onze Melkweg. Ook die interactie kunnen we nu in detail beginnen bestuderen.”
Wat is de rol van de UGent in IceCube?
“We zijn met een aantal Belgische universiteiten betrokken en hebben het geluk dat het FWO, het fonds voor wetenschappelijk onderzoek, op de kar is gesprongen. Daardoor kunnen we het onderzoek voortzetten. Vanuit de UGent doen we twee projecten. Enerzijds onderzoeken we welke apparatuur de opvolger van IceCube, Gen 2 zoals we die noemen, het best zal gebruiken. Anderzijds focussen we ons op een kleinere detector, IceTop, die boven op de IceCube ligt en die net wel naar de geladen deeltjes in de kosmische straling kijkt. Wij brengen in kaart waar die vandaan komen. De bedoeling daarbij is de samenstelling van de kosmische straling te meten, en zo uit te maken welk deel afkomstig is uit onze eigen Melkweg, en welk deel van verderaf gelegen sterrenstelsels.”
U spreekt over een opvolger van IceCube. Wat moeten we daaronder verstaan?
“Om nog meer neutrino’s op te sporen, willen we het volume van de detector vergroten. Nu is dat een kubieke kilometer, we willen dat maal tien doen. Maar als je de afstand tussen de lichtsensoren ook maal tien doet, zullen die niets registreren. En tien maal meer sensoren plaatsen is financieel niet haalbaar. We moeten dus op zoek naar andere manieren, met andere hardware. Momenteel zijn wij mee aan het bouwen aan een prototype op Groenland met radiosensoren. Neutrino’s produceren namelijk ook een klein radiosignaaltje als ze interageren met materiaal.”
Wat moeten we hiervan onthouden?
“Uiteraard kan je je leven gewoon leiden zonder deze kennis. Het belang ervan is dat we nu weten dat die supermassieve fenomenen er zijn en dat we ze verder kunnen onderzoeken. Als mens kunnen we bijzonder ver gaan in het begrip van het heelal, dat is ongelofelijk.
Maar misschien het allerbelangrijkste is dat onderzoek als dit ook terugvloeit naar de maatschappij. Slechts een beperkte groep wetenschappers blijft in het academische wereldje hangen. De rest stroomt uit naar andere jobs en neemt vaardigheden mee. Zo brengen ze nieuwe inzichten en vooruitgang in andere sectoren. Dat is misschien wel de grootste bijdrage die ditonderzoek levert aan de maatschappij.”