Neutrino-telescoop: zo kijken astronomen zonder licht

Terwijl jij vanavond je telescoop op Saturnus richt, gaan er elke seconde honderd biljoen deeltjes dwars door je duim heen. Je merkt er niets van. Ze heten neutrino’s, en natuurkundigen bouwen er nu telescopen voor op de bodem van de Middellandse Zee en onder het ijs van Antarctica. Niet om iets moois te fotograferen, maar om in de kern te kijken van explosies waar gewoon licht nooit uit komt.

Licht komt niet overal doorheen

Alles wat we van het heelal weten, komt van iets dat ons bereikt. Tot nu toe waren dat drie soorten boodschappers, en alle drie hebben ze een probleem.

• Licht, in alle vormen: zichtbaar licht, radiogolven, infrarood, gammastraling. Dit gebruiken we het meest, maar licht wordt tegengehouden, weerkaatst en verbogen door alles wat onderweg ligt.
• Kosmische straling: geladen deeltjes met veel energie. Die worden door magneetvelden in de ruimte alle kanten op geslingerd, dus je kunt niet terugrekenen waar ze vandaan kwamen.
• Zwaartekrachtgolven: rimpelingen in de ruimtetijd. Die vertellen je dát er iets enorms gebeurde, niet wát er gebeurde of waar het van gemaakt was.

Er zijn dus dingen in het heelal die we misschien nooit ontdekken, simpelweg omdat het bewijs onderweg naar ons een verkeerde afslag nam.

Wat een neutrino zo bijzonder maakt

Een neutrino is een fundamenteel deeltje, net als een elektron, maar dan absurd veel kleiner. Zo klein dat vaste materie voor hem net zo leeg aanvoelt als de ruimte tussen de sterren voor ons. Hij vliegt overal doorheen: door sterren, door planeten, door muren, door jou. Vandaar de bijnaam spookdeeltje.

En precies dat maakt hem zo bruikbaar. Een neutrino heeft geen elektrische lading, dus magneetvelden krijgen geen grip op hem. Hij wordt niet tegengehouden en niet verbogen. Hij gaat in een rechte lijn, bijna met de snelheid van het licht, van zijn geboorteplek naar ons toe. Vang je er een, dan weet je precies uit welke richting hij kwam.

De natuurkundigen in de video vergelijken het met een dokter die naar je kijkt. Met gewoon licht ziet hij je huid. Röntgenstraling gaat door je huid heen en laat je botten zien, juist omdat die straling minder met weefsel reageert. Neutrino’s vangen is röntgenzicht krijgen op het heelal.

Een telescoop van een kubieke kilometer zeewater

Voor de kust van Sicilië ligt KM3NeT. De naam staat voor kubieke kilometer neutrinotelescoop, en dat is letterlijk het formaat dat hij straks inneemt in de Middellandse Zee.

Het zijn glazen bollen aan lange kabels. In elke bol zit een minicomputer en 31 lichtsensoren, en elke sensor is gevoelig genoeg om één enkel lichtdeeltje te registreren. Ze worden met de hand in elkaar gezet in een lab in Caserta, helft voor helft, bol voor bol. Achttien bollen aan één streng kost ongeveer een maand bouwen en testen. Die streng wordt opgerold tot een grote bal, met een boei erboven en een anker eronder, en dan de zee in gelaten. Op de bodem, 3.500 meter diep, rolt hij zichzelf uit tot een hoogte van bijna twee keer het Empire State Building.

Er hangen er nu ruim 900. Als het ding af is, staan er meer dan vierduizend van die bollen op de zeebodem. De kabels lopen naar de kust, naar een oude wijnmakerij die is omgebouwd tot lab. Daar staat een computer die de hele dag naar die sensoren kijkt en wacht.

Hoe vang je iets wat overal doorheen gaat

Dat is natuurlijk het rare aan dit verhaal. Een neutrino gaat door alles heen, dus ook gewoon door je detector. Je kunt hem niet zien.

Wat wel kan: wachten tot er eentje pech heeft. Er gaan er zoveel doorheen dat er af en toe eentje frontaal tegen een proton knalt, bijvoorbeeld in een watermolecuul daar op de zeebodem. Dat proton verandert dan in een zwaarder deeltje dat door het water schiet. En dat deeltje gaat sneller dan licht door water gaat.

Dat klinkt onmogelijk, maar licht gaat in water flink langzamer dan in vacuüm. Het deeltje haalt het licht dus in, en daardoor ontstaat achter hem een kegel van blauw licht. Het is precies hetzelfde effect als een supersone knal, alleen dan met licht in plaats van geluid. Je zou het met je eigen ogen niet zien: te zwak en te kort. Die sensoren zien het wel.

De aarde is de lens

Het beeld dat je in je hoofd hebt klopt waarschijnlijk niet. Dit is geen bos van detectoren dat omhoog kijkt naar de hemel erboven. De machine kijkt vooral naar deeltjes die dwars door de aarde heen zijn gekomen, want alleen neutrino’s redden dat. Alles wat van bovenaf komt vallen, en alle lichtjes van bacteriën die daar beneden gloeien, worden er zo uit gefilterd.

Je moet het dus zien als de achterkant van een telescoop waarvan de hele aarde de lens is. KM3NeT ziet daardoor precies de helft van de hemel die IceCube in Antarctica niet ziet, en andersom. Onder het Antarctische ijs zitten meer dan vijfduizend van die bollen, en die machine draait al meer dan tien jaar. Samen dekken ze alles.

Wat ze er tot nu toe mee gevonden hebben

In 2017 raasde een neutrino met veel energie door het ijs van Antarctica. IceCube gaf een seintje, telescopen over de hele wereld draaiden die kant op, en ze vonden een blazar: een actief sterrenstelsel op ruim vier miljard lichtjaar. Dat object kenden we al van zichtbaar licht en gammastraling, maar pas dat ene neutrino bewees dat daar een kosmische motor draait die zware elementen en kosmische straling de ruimte in schiet. Het ijzer in je bloed komt uit zulke gebeurtenissen.

In 2022 wees IceCube naar een sterrenstelsel op ongeveer 47 miljoen lichtjaar, NGC 1068. Dat stelsel kun je gewoon vanaf de grond zien, maar de kern zit verstopt achter dikke wolken gas en stof. Licht komt daar niet uit. Neutrino’s wel. Voor het eerst keken we in een kosmische motor waar licht ons nooit binnen had gelaten.

En in 2023 kwam er iets door KM3NeT dat een signaal afgaf dat ongeveer dertig keer krachtiger was dan alles wat we ooit van dit type gezien hadden. Alle telescopen zwenkten die richting op. Ze vonden niets. Tot vandaag weet niemand waar dat deeltje vandaan kwam.

Dat ene stelsel kun je zelf opzoeken

Hier wordt het leuk voor wie een telescoop in de schuur heeft staan. NGC 1068, het stelsel waarvan IceCube de verborgen kern zag, staat bij amateurs bekend als M77. Het ligt in het sterrenbeeld Walvis en staat in het najaar het hoogst aan de zuidelijke hemel.

Met een telescoop van tien centimeter of meer zie je een klein, wattig vlekje met een helder puntje in het midden. Verwacht geen foto uit een tijdschrift: het is echt niet meer dan een vaag bolletje. Maar het is wel hetzelfde stelsel waarvan een machine onder het Antarctische ijs de binnenkant heeft gemeten. Dat maakt zo’n vlekje ineens een stuk indrukwekkender.

Weet je niet waar de Walvis staat, kijk dan eerst in mijn uitleg over sterrenbeelden herkennen. Zoek je nog een instrument dat dit soort objecten aankan, dan helpt de telescoop-keuzehulp je verder. En wil je gewoon weten wat er vannacht boven je hoofd staat, kijk dan bij wat zie je vanavond.

Waarom ik dit zo mooi vind

Sterrenkijken begint bij je eigen ogen en een donkere tuin. Maar het houdt daar niet op. Er zijn mensen die duizenden glazen bollen met de hand in elkaar zetten, ze aan kabels de zee in laten zakken en jarenlang wachten op één blauw flitsje. Een van de bouwers in de video werkte hiervoor in een fabriek en zegt gewoon dat hij trots is. Terecht.

Dat is uiteindelijk wat een telescoop is, of hij nou op je statief staat of op de bodem van de zee ligt: een verlengstuk van je eigen ogen, dat je meeneemt naar plekken waar je zelf nooit kunt komen.

Het verhaal komt uit de aflevering van Cleo Abram over KM3NeT en IceCube, waarin ze zelf in het lab in Caserta zo’n detectorbol in elkaar mag zetten. Aanrader als je wilt zien hoe die dingen er van dichtbij uitzien.

Kun je neutrino’s met een gewone telescoop zien?

Nee. Een neutrino geeft geen licht af en gaat dwars door lenzen en spiegels heen. De enige manier om er een te betrappen is een kubieke kilometer water of ijs volhangen met lichtsensoren en wachten op het blauwe flitsje dat ontstaat als er toevallig eentje ergens tegenaan botst.

Gaan er echt neutrino’s door mijn lichaam heen?

Ja, ongeveer honderd biljoen per seconde, voornamelijk afkomstig van de zon. Ze reageren zo zwak met materie dat je er niets van merkt en dat ze ook ’s nachts gewoon dwars door de aarde heen bij je komen.

Waarom liggen die telescopen zo diep onder water of ijs?

Om de rest weg te filteren. Op 3.500 meter diepte is het donker en houdt al dat water alle andere deeltjes tegen die van boven komen vallen. Wat overblijft zijn de neutrino’s, en het water dient meteen als het materiaal waarin ze hun lichtspoor achterlaten.