Technion-Israel Institute: Israëlisch team detecteert deeltjes die betrokken zijn bij de vorming van sterren op 400 lichtjaar afstand

De Barnard 68-nevel bevindt zich in het sterrenbeeld Slangendrager (Ophiuchus), op ongeveer 400 lichtjaar van de aarde. Met behulp van NASA's James Webb-ruimtetelescoop hebben Dr. Shmuel Bialy van het Technion-Israel Institute of Technology en zijn team voor het eerst de signalen gemeten die deze nevel uitzendt als gevolg van de excitatie van moleculair waterstof door kosmische straling. Foto European Southern Observatory

Israëlische onderzoekers hebben een baanbrekende ontdekking gedaan: ze hebben onzichtbare deeltjes, bekend als kosmische straling, gemeten diep in een stofwolk op 400 lichtjaar afstand van de aarde.

De door vakgenoten beoordeelde studie, waarin deze voorheen onwaargenomen deeltjes werden gedetecteerd, zou meer inzicht kunnen geven in hoe sterren in de Melkweg ontstaan.

"Deze kosmische straling is cruciaal voor ons begrip van het proces van de vorming van nieuwe sterren", vertelde hoofdonderzoeker prof. Shmuel Bialy van de faculteit natuurkunde van het Technion-Israel Institute of Technology aan The Times of Israel. "Dit heeft de deur geopend voor een geheel nieuw onderzoeksgebied binnen de moderne astrofysica."

Het internationale team van Bialy gebruikte waarnemingen van NASA's James Webb-ruimtetelescoop om infraroodstraling te meten van kosmische straling die de gigantische nevel Barnard 68 in het verre sterrenbeeld Slangendrager (Ophiuchus) was binnengedrongen.

Het onderzoek werd woensdag gepubliceerd in Nature Astronomy

"Niemand dacht dat het mogelijk zou zijn om deze kosmische straling waar te nemen, omdat die nog nooit eerder was gezien", aldus Bialy. "Nu laten we zien dat het wel degelijk mogelijk is. Wij waren de eersten die het waarnamen, en het signaal was sterk en duidelijk."

Dr. Shmuel Bialy van de faculteit Natuurkunde van het Technion-Israel Institute of Technology (links) en Amit Chemke, een masterstudent in Bialy's onderzoeksgroep. Foto Universiteit

Kosmische straling: 'hoogenergetische deeltjes'

"Het is belangrijk voor mensen op aarde omdat we onderzoeken hoe sterren ontstaan", aldus Amit Chemke (27), masterstudent in de groep van Bialy en mede-auteur van het onderzoekspaper. "Onze zon is miljarden jaren geleden ontstaan, maar hoe ontstaan ​​andere zonnen?"

In een gesprek met The Times of Israel zei Chemke dat de term 'kosmische straling' 'verwarrend' is, omdat de straling geen vorm van licht is en er ook niets mee te maken heeft.

Ze werden ontdekt en vervolgens benoemd door Victor F. Hess in 1912, en die naam is blijven hangen.

"Het zijn eigenlijk materiedeeltjes: protonen, elektronen en atoomkernen," aldus Chemke. "Deze hoogenergetische deeltjes zoemen door de Melkweg", bijna met de snelheid van het licht.

"Ze zijn erg energiek en botsen tegen stofwolken of nevels," zei hij.

Gigantische stof- en ruimtewolken tussen de sterren.

Een nevel is een enorme wolk die zich bevindt in de ruimte tussen sterren. De Melkweg is gevuld met deze gigantische wolken, die stof en gassen bevatten, waaronder waterstof en helium.

"De zon is als een korreltje zout vergeleken met deze wolken," zei Bialy.

Het cruciale proces waarbij kosmische straling de nevel binnendringt en leidt tot de excitatie van waterstofmoleculen, waardoor deze gaan vibreren. Dit resulteert in de emissie van infraroodstraling, die wordt gedetecteerd door de James Webb-ruimtetelescoop van NASA. Foto dr. Shmuel Bialy

Sommige nevels ontstaan ​​uit het gas en stof dat vrijkomt bij de explosies van stervende sterren. Andere zijn gebieden waar nieuwe sterren beginnen te ontstaan.

Wanneer de vliegende deeltjes van deze kosmische straling een nevel raken, kunnen ze er "helemaal doorheen dringen", legde Chemke uit.

De deeltjes zorgen ervoor dat waterstofmoleculen in de nevel gaan trillen. Deze trilling zendt infraroodstraling uit, die de onderzoekers vervolgens konden meten.

De Trifidnevel, gefotografeerd door David 'Deddy' Dayag

Binnenin de nevel zetten de kosmische stralingen chemische processen in gang, waaronder de vorming van nieuwe moleculen zoals water, ammoniak en methanol.

"Kosmische straling heeft invloed op het stervormingsproces," aldus Chemke.

'We zeiden: laten we het proberen. Waarom niet?'

Mensen observeren al tientallen jaren infraroodstraling afkomstig van massieve, hete sterren, aldus Bialy. "Deze hete sterren zenden intense UV-straling uit op plaatsen zoals de Orionnevel, bijvoorbeeld."

Kosmische straling van nevels is echter veel zwakker, zei hij, en wetenschappers gaven aan dat deze niet sterk genoeg is om waargenomen te worden.

Kegelnevel, gefotografeerd door David 'Deddy' Dayag

Tijdens de COVID-19-pandemie, zo vertelde Bialy, bleef hij werken aan een theorie die hij al tientallen jaren ontwikkelde over de straling die wordt uitgezonden door kosmische straling in nevels.

"Ik ben gewoon doorgegaan omdat ik genoot van het proces van het oplossen van de vergelijkingen, het berekenen van alles," zei hij. "Ik dacht: zelfs als we het nooit waarnemen, heb ik er plezier in."

Bialy zei dat hij al als kind een grote liefde had voor natuurkunde en astronomie.

Hij groeide op in Rusland voordat zijn familie naar Israël emigreerde. Zijn ouders vertelden hem dat hij op een avond zijn eerste zin in het Russisch sprak toen hij uitriep: "Kijk, kijk, een ster!"

Tijdens zijn postdoctoraal onderzoek aan het Harvard Smithsonian Center for Astrophysics in Cambridge raakte Bialy bevriend met de Italiaanse astronoom Sirio Belli, die gespecialiseerd was in het waarnemen van infraroodstraling.

Bialy deelde zijn berekeningen. "We zeiden: laten we het proberen. Zelfs als mensen zeggen dat we het nooit kunnen waarnemen, waarom niet?", zei hij.

De twee plaatsten een telescoop in een observatorium in Arizona en observeerden nevels gedurende "20 uur met een zeer lange belichtingstijd. En raad eens? We zagen niets."

De twee wetenschappers besloten vervolgens te vragen of ze onderzoek konden doen met behulp van de James Webb-ruimtetelescoop van NASA, een instrument dat "veel gevoeliger is dan alles wat we op aarde hebben".

De telescoop, die in december 2021 werd gelanceerd, draait in een baan om de zon op ongeveer 1,5 miljoen kilometer afstand van de aarde.

Bialy zei dat van elke tien voorstellen die NASA voor de telescoop ontvangt, er slechts één wordt gekozen.

"Na een paar proefprojecten kregen we toestemming", aldus Bialy. "We kregen acht uur onderzoekstijd op de James Webb-ruimtetelescoop."

Op deze foto, afkomstig van NASA, is te zien hoe de James Webb-ruimtetelescoop op zaterdag 25 december 2021 vanuit een Ariane-raket de ruimte in wordt gelanceerd. De telescoop is ontworpen om zo ver terug in de tijd te kijken dat wetenschappers een glimp kunnen opvangen van het ontstaan ​​van het heelal, zo'n 13,7 miljard jaar geleden, en om in te zoomen op dichterbij gelegen kosmische objecten, zelfs ons eigen zonnestelsel, met een scherpere focus. Foto NASA / AP

De Barnard 68-nevel, ongeveer 2 miljoen keer groter dan de zon, is koud en dicht, met temperaturen van rond de 10-20 Kelvin, nauwelijks boven het absolute nulpunt. Volgens voorspellingen zal hij over ongeveer 200.000 jaar instorten en een nieuwe ster vormen.

Maar tot die tijd konden de onderzoekers de infraroodstraling detecteren die werd uitgezonden door de trillende waterstofmoleculen in de nevel.

David Neufeld, hoogleraar natuurkunde en astronomie aan de Johns Hopkins University, die ook aan dit onderzoek heeft meegewerkt, zei dat de gegevens van de NASA-telescoop "een compleet nieuw perspectief hebben geopend op de kosmische-stralingsastrofysica."

Het onderzoeksteam heeft nu nog eens 50 uur aan observatiegegevens uit de ruimte ontvangen om te analyseren.

"Dit stelt ons in staat om de intensiteit van kosmische straling op veel plaatsen in de Melkweg effectief te meten", aldus Bialy. "En uiteindelijk willen we dit in de komende jaren nog verder uitbreiden, misschien wel naar tientallen nevels om ons heen, om de verspreiding van kosmische straling in de hele galactische ruimte te meten."