Tot die verrassende ontdekking komen onderzoekers op basis van waarnemingen verricht vanaf het Chinese ruimtestation Tiangong-2.

In 2016 lanceerde China het ruimtelab Tiangong-2. En dat ruimtelab had een bescheiden Europees tintje. Aan boord van Tiangong-2 bevond zich namelijk het door Chinese en Europese onderzoekers ontwikkelde POLAR-instrument. “POLAR gaat hopelijk meer inzicht geven in wat gammaflitsen veroorzaakt,” zo vertelde natuurkundige Merlin Kole, verbonden aan de universiteit van Genève in 2016 aan Scientias.nl. Inmiddels is het 2019 en kunnen de onderzoekers melding maken van onverwachte onderzoeksresultaten van het POLAR-experiment.

Gammaflitsen
Het POLAR-instrument heeft in de afgelopen jaren 55 gammaflitsen waargenomen. Gammaflitsen zijn eigenlijk niets anders dan enorme explosies die ontstaan wanneer twee neutronensterren botsen of een supermassieve ster ineenstort, oftewel wanneer een zwart gat geboren wordt. Hoe de gammaflitsen precies ontstaan, is onduidelijk. “We denken dat in deze explosies deeltjes worden versneld tot zeer hoge energieën,” aldus Kole. “Uiteindelijk produceren deze deeltjes straling in de vorm van fotonen.” POLAR is ontwikkeld om de polarisatie van die straling te bestuderen en zo meer inzicht te geven in de herkomst van gammaflitsen. “Wat wij met POLAR meten is de polarisatie van de gammastraling-fotonen,” vertelt Kole aan Scientias.nl. “De polarisatie is gedefinieerd als de richting waarin het elektrische veld van de fotonen oscilleert. Als de elektrische velden van alle fotonen die van een gammaflits af komen in dezelfde richting oscilleren noemen we het gepolariseerd, als ze allemaal in een verschillende richting oscilleren is het ongepolariseerd. De polarisatie van de gammastraling is hetzelfde als gepolariseerd licht (zoals dat in 3D-bioscopen wordt gebruikt of die filters in polaroid-zonnebrillen er juist uithalen), alleen hebben de fotonen die wij zien 10.000 tot 1.000.000 keer zoveel energie als de fotonen in licht.”


“Nu moeten de theoretici proberen uit te leggen hoe dit kan, en op dit moment hebben ze nog geen idee”

Orde en chaos
Zo op het eerste gezicht wezen de observaties van POLAR erop dat alle fotonen van de gammaflitsen ongepolariseerd zijn. Maar dat beeld veranderde toen de onderzoekers de gammaflitsen als het ware in stukken hakten. “Wat wij hebben gezien met POLAR is dat als je naar een hele gammaflits kijkt – die duurt een paar seconden lang – het lijkt alsof er helemaal geen polarisatie is of in ieder geval heel weinig. Maar als we de gammaflits in drie stukken delen en dan alleen naar de eerste twee seconden kijken, zien we daar een redelijk hoge polarisatie (ongeveer 30%, dus dat betekent dat 30% van de fotonen in dezelfde richting oscilleren), en hetzelfde zien we in het tweede en derde deel. Het verschil is alleen dat in die drie delen van de gammaflits de richting van de polarisatie verandert. Dus het elektrische veld van de meeste fotonen oscilleert in de eerste 2 seconden in één richting, in het tweede stuk in een andere richting en in het derde deel weer in een andere richting. Als je het allemaal bij elkaar optelt lijkt het ongepolariseerd, maar als je in detail kijkt, zie je dat er orde is, maar omdat die bron van die orde (waarschijnlijk een magnetisch veld maar dat weten we niet helemaal zeker) draait tijdens de gammaflits lijkt het op het eerste gezicht chaotisch. Nu moeten de theoretici proberen uit te leggen hoe dit kan, en op dit moment hebben ze nog geen idee.”

Modellen
De resultaten zijn dus verrassend. Maar geven ze ook meer inzicht in de oorsprong van gammaflitsen? Voor nu roepen de bevindingen van POLAR eigenlijk meer vragen dan antwoorden op, zo erkent Kole. Zo geven alle huidige modellen die gebruikt worden om gammaflitsen te beschrijven aan dat gammaflitsen ontstaan wanneer er een zwart gat ontstaat en er een hoop materie de ruimte in geslingerd wordt, waarbij uiteindelijk ook een hoop energie vrijkomt, deels in de vorm van gammastraling. “Het verschil tussen de modellen is hoe de gammastraling (en ook fotonen met lagere energie) geproduceerd worden. In sommige modellen is er een vorm van orde binnen de explosie, dit is meestal in de vorm van een sterk geordend magnetisch veld. Dat magnetisch veld heeft een effect op de richting van het elektrische veld van de fotonen als ze geproduceerd worden en dat zou de polarisatie kunnen veroorzaken. In ander modellen is er ook een magnetisch veld, maar dat is dan chaotisch en constant aan verandering onderhevig. En in weer andere modellen is zo’n veld niet nodig om de fotonen te produceren.” De laatstgenoemde modellen voorspellen geen polarisatie en lijken dus niet overeen te komen met de waarnemingen van POLAR. Maar Kole blijft voorzichtig. “De theorieën zijn verre van compleet, deels omdat theoretici meer informatie zoals die wij nu publiceren, nodig hebben om de modellen verder te ontwikkelen.” Dat gezegd hebbende, kan Kole op basis van de observaties wel heel voorzichtig enkele conclusies trekken. “Het lijkt erop dat onze resultaten laten zien dat er een magnetisch veld is en dat dit geordend is. Maar om onze resultaten, vooral de verandering in the polarisatierichting, uit te leggen moet dit veld wel heel ingewikkeld zijn (het moet constant veranderen), en niemand had dit voorspeld.”

Het liefst zouden onderzoekers dan ook nog veel meer heldere gammaflitsen en hun polarisatierichting bestuderen. Kole en collega’s dromen dan ook al van een POLAR-2. “Met POLAR-2 zouden we een hoop meer kunnen zien. Het ontwerp voor POLAR-2 is 10 keer gevoeliger dan POLAR, daardoor zien niet alleen meer gammaflitsen (de hele zwakke die we nu niet zien) maar we zouden ze ook in meer detail kunnen onderzoeken.” Gesprekken om dit instrument daadwerkelijk te lanceren en opnieuw op een Chinees ruimtelab gemonteerd te krijgen, zijn in volle gang. En Kole is optimistisch. “Nu deze onderzoeksresultaten uitkomen – die in China beschouwd worden als de belangrijkste wetenschappelijke resultaten afkomstig van Tiangong-2 – zullen de Chinezen hopelijk nog positiever zijn en ons wellicht direct ruimte geven op het ruimtestation.” Tegelijkertijd ziet Kole dat de Chinezen in toenemende mate de samenwerking met Europese partners zoeken en er dus felle concurrentie is als het gaat om een het verkrijgen van een plekje op een Chinees ruimtelab. “Op Tiangong-2 waren we de enige niet-Chinezen, maar de rest van de wereld begint in te zien dat China snel vooruit gaat met haar wetenschappelijk onderzoek en ruimtevaartprojecten.”