Exploderende sterren helpen donderwolken op aarde doorgronden

Date: Apr 24, 2015

Hoe ontstaat bliksem in een donderwolk? Dat is moeilijk te onderzoeken – hoe meet je de elektrische velden in een grote, gevaarlijk geladen wolk? Min of meer bij toeval is ontdekt dat kosmische deeltjes geschikt zijn om het elektrische veld van donderwolken door te meten. Physical Review Letters publiceert de verrassende vondst op 24 april. De meting is gedaan met de Nederlandse radiotelescoop LOFAR en is geïnterpreteerd door onderzoekers van de Rijksuniversiteit Groningen, de Radboud Universiteit, de Vrije Universiteit Brussel en het Centrum Wiskunde & Informatica (CWI) in Amsterdam.

‘Wij gooiden de LOFAR-metingen die tijdens donderbuien waren opgenomen normaal gesproken gewoon weg. Te rommelig,’ zegt astronoom Pim Schellart. ‘Nou ja, weg – we analyseerden ze niet.’ Schellart, die begin dit jaar promoveerde aan de  Radboud Universiteit bij prof. Heino Falcke, is geïnteresseerd in kosmische deeltjes afkomstig van exploderende sterren en andere fenomenen in het heelal, waarvan de hoog-energetische overblijfselen de aarde bombarderen. Hoog in de atmosfeer botsen deze deeltjes op andere en klappen dan uiteen in een ‘douche’ van elementaire deeltjes. De inslag van deze brokstukken zijn te meten en ook de radiostraling die zo’n inslag veroorzaakt geeft informatie over de deeltjes. Dit gebeurt met LOFAR bij Astron in Dwingeloo. Maar niet bij onweer…

Modelleerwerk
Om deze data te analyseren, startten astrofysicus prof. Olaf Scholten van de Rijksuniversiteit Groningen en bliksemhoogleraar Ute Ebert van het Centrum Wiskunde & Informatica in Amsterdam een samenwerkingsproject, ‘Cosmic Lightning’. De groep, met o.a. promovenda Gia Trinh (RUG), ging aan de slag met de afwijkende metingen tijdens onweersbuien. ‘We modelleerden hoe het elektrische veld van de wolken die afwijkingen kon verklaren. Dat bleek heel goed te gaan. Hoe de deeltjesdouche verandert, blijkt veel informatie te geven over de toestand in de donderbui. We kunnen zelfs afleiden hoe sterk het veld was op een bepaalde hoogte in de wolk,’ zegt Schellart.
Dit veld kan wel oplopen tot meer dan 50 kV/m. Dit vertaalt zich naar een spanning van honderden miljoenen volts over een afstand van meerdere kilometers: een donderwolk bevat gigantische hoeveelheden energie.

Gevaarlijke lading
Bliksem is op dit moment nog een onvoorspelbaar natuurfenomeen, dat wereldwijd slachtoffers eist en tot grote materiële schade kan leiden, met name aan onze elektrische en elektronische infrastructuur. Wellicht zou deze nieuwe methode om wolken door te meten, kunnen helpen het bliksemonderzoek vooruit te brengen en zo onweersvoorspellingen te verbeteren. De huidige meetmethoden met vliegtuigen, ballonnen of kleine raketjes die in donderwolken worden geschoten zijn gevaarlijk en/of te lokaal. Bovendien beïnvloedt het meetinstrument de meting. Kosmische deeltjes daarentegen doordringen wolken van boven tot onder met praktisch de snelheid van het licht. Bovendien komen ze gratis en voor niks vanuit de ruimte aangevlogen.

‘Ik ben erg blij met de interdisciplinaire samenwerking tussen astronomen, deeltjesfysici en ons, zegt Ute Ebert. ‘De resultaten zullen een cruciale rol spelen in ons begrip van het ontstaan en de werking van bliksem.’

Het modelleerwerk werd gefinancierd door FOM in het project Cosmic Lightning.

 

Animatie:

Animatie: een1.5 TeV proton vanaf 20 km hoogte. Na de simulatie zijn de paden van de deeltjes 10 seconden lang te zien. Daarna herhaalt deze zich.

Kleurcodes:

  • paars: gammastralen
  • geel: elektronen and positronen
  • blauw: protonen
  • cyaan: neutronen
  • groen:  pionen

De grootte van de deeltjes is proportioneel met hun energie. Credit: CWI 




Meer informatie

Illustratie: Een deeltjesdouche veroorzaakt door een kosmische inslag bereikt LOFAR door een donderwolk. Bron: Radboud University.

Dit onderzoek kwam tot stand met subsidies van de ERC, stichting FOM (project Cosmic Lighting), NWO en NOVA, en werd gedaan in samenwerking met Centrum Wiskunde & Informatica (CWI), ASTRON, Kapteyn Instituut van de Rijksuniversiteit Groningen, de Vrije Universiteit Brussel en vele anderen. Voor de volledige auteurslijst zie de originele paper.