De ‘spookachtige’ neutrino’s die door onze zon worden gegenereerd, waren lang ongrijpbaar.

Onze zon is een hemellichaam waar we nog steeds veel over blijven leren. Dat blijkt wel uit een nieuwe studie, gepubliceerd in het prestigieuze vakblad Nature. Wetenschappers hebben namelijk bewijs geleverd voor het optreden van de zogenaamde CNO-cyclus in onze zon. Hoe? Door de kenmerkende ‘spookachtige’ CNO-neutrino’s die tijdens het fusieproces worden gegenereerd, rechtstreeks te detecteren.

Hoe wekken sterren energie op?
Laten we bij het begin beginnen. Want hoe wekken sterren precies energie op? Sterren zijn eigenlijk gigantische fusiereactoren. Er vinden spontane kernfusiereacties plaats als gevolg van de enorme hoge druk en bijbehorende temperatuur. Bij die kernfusies wordt waterstof omgevormd tot helium. Dit proces wordt ook wel ‘waterstofverbranding’ genoemd. In wezen gaat het om twee soorten processen. Enerzijds is er de proton-protoncyclus. Hierbij wordt in verschillende stappen vier waterstofkernen (protonen) omgezet in een helium-4-kern (alfadeeltje). Aan de andere kant heb je de koolstof-stikstofcyclus, ofwel de CNO-cyclus. Hierbij wordt waterstof omgezet in helium met behulp van zwaardere elementen, zoals koolstof (C), stikstof (N) en zuurstof (O). De proton-protoncyclus is een van de twee belangrijke groepen kernfusiereacties in zwakkere sterren zoals onze zon. De CNO-cyclus is het belangrijkste proces voor het opwekken van energie in zwaardere en warmere sterren.

Neutrino’s
Zoals bij alle fusieprocessen die plaatsvinden binnenin de zon, worden naast helium en de enorme hoeveelheden energie die ervoor zorgen dat onze zon en andere sterren gaan schijnen, tevens talloze neutrino’s geproduceerd. Neutrino’s zijn fundamentele deeltjes maar hebben geen sterke interactie met normale materie. Op dit moment reizen ze dan ook met miljarden door jouw lichaam, zonder dat je daar iets van merkt. “We zijn echter in staat om deze neutrino’s te detecteren met behulp van de Borexino-detector die zich op zo’n 1400 meter onder de grond bevindt,” vertelt onderzoeker Michael Wurm. “Ze geven ons duidelijk inzicht in de processen die zich in de kern van onze zon afspelen.”

Meer over de Borexino-detector
De Borexino-detector bevindt zich diep verborgen in het grootste ondergrondse laboratorium ter wereld: de Laboratori Nazionali del Gran Sasso in Italië. De detector is een van de meest gevoelige neutrino detectoren op aarde en bestudeert al sinds 2007 zonne-neutrino’s. Het hart van de Borexino-detector wordt gevormd door een hele dunne, bolvormige nylon ballon die 280 ton speciale scintillatorvloeistof bevat. Een neutrino gaat een paar honderd keer per dag een wisselwerking aan met dit detectormateriaal. Dit genereert vervolgens minuscule lichtflitsen die met behulp van zo’n 2000 extreem gevoelige sensoren worden opgepikt.

Wetenschappers hebben de laatste jaren neutrino’s gedetecteerd die voortkomen uit verschillende reacties langs de proton-protoncyclus. Maar nu zijn onderzoekers er voor het eerst in geslaagd om ook CNO-neutrino’s aan het licht te brengen die vrijkomen in de CNO-cyclus. En dat is interessant. Want dat betekent dat in het binnenste van onze zwakkere zon ook – in ondergeschikte mate – de CNO-cyclus optreedt. Hoewel men dit wel had verwacht, is daar nog nooit direct bewijs voor geleverd. “Alleen de kenmerkende neutrino’s kunnen daarvoor sluitend bewijs leveren,” zegt Wurm. “En dat bewijs hebben we nu in handen. Zonder twijfel.”

Stroom
Bovendien kon het onderzoeksteam ook de totale stroom CNO-neutrino’s die de aarde bereiken, schatten. De onderzoekers komen tot de conclusie dat er elke seconde zo’n 700 miljoen CNO-neutrino’s door een vierkante centimeter van onze planeet vliegen. Hoewel dit misschien heel wat lijkt, is dit slechts een honderdste van het totale aantal zonne-neutrino’s. “Dit komt overeen met de theoretische voorspelling dat de CNO-cyclus van de zon verantwoordelijk is voor ongeveer één procent van de energie die het produceert,” voegt onderzoeker Daniele Guffanti toe.

De onderzoekers beschouwen de nieuwe resultaten als een belangrijke mijlpaal op weg naar een volledig begrip van de fusieprocessen die niet alleen onze zon aandrijven, maar ook massieve sterren. Daarnaast verschaft het ons meer inzicht in de elementen waaruit de zonnekern is opgebouwd; vooral met betrekking tot hoe vaak – naast waterstof en helium – er ook zwaardere elementen zoals koolstof, stikstof en zuurstof in het zonneplasma kunnen worden aangetroffen.

Benieuwd…

…naar hoe onze zon er eigenlijk van dichtbij uitziet? Bekijk hier de meest gedetailleerde foto’s van onze zon die ooit zijn gemaakt!