De lucht boven je hoofd leeft met onzichtbare douches. Krachtige deeltjes uit de ruimte raken constant de atmosfeer boven je, waardoor een subatomaire cascade ontstaat die met bijna lichtsnelheid naar beneden schiet. Uitzoeken waar deze stortbuien vandaan komen en wat ze ons vertellen over het universum is de taak van het High-Altitude Water Cherenkov (HAWC) observatorium, een telescoop bestaande uit 300 gigantische tanks met gezuiverd water geplaatst bij de top van de Sierra Negra-vulkaan in Mexico.
Het doel van HAWC is om de hoogste energiefenomenen in de kosmos te vinden; inclusief exotische sterren, superzware zwarte gaten en vernietigende donkere materie. Fenomenen zoals deze produceren gammastralen, fotonen met meer dan een triljoen keer de energie van het optische licht waarmee we zien, en kosmische stralen, geladen atoomkernen met energieën tot zeven keer die van de protonen die bij de Large Hadron Collider tegen elkaar zijn geslagen. De oorsprong van beide blijft verborgen in vele mysteries, en daarom bewaakt HAWC constant een groot deel van de hemel in de hoop er een paar te ontrafelen.
Wanneer een ultrahoog energiedeeltje de atmosfeer van de aarde binnendringt en in een luchtmolecuul terechtkomt, produceert de resulterende reactie nieuwe subatomaire deeltjes. Elk van deze bevat enorme energie en dus blijven ze breken en reageren en produceren ze meer deeltjes in een steeds groter wordende lawine die zich in een cirkel van ongeveer 100 meter breed verspreidt tegen de tijd dat het de grond bereikt. Deze deeltjesdouche gaat door de tanks van de telescoop die sneller reizen dan de snelheid van het licht in water (wat ongeveer driekwart van zijn snelheid in een vacuüm is), waardoor het optische equivalent van een sonische boom ontstaat - een uitbarsting van ultraviolet licht dat bekend staat als Cherenkov-straling. Door precies te karakteriseren hoe en wanneer de deeltjes de reeks gezuiverde watertanks tegenkomen, kunnen onderzoekers bepalen waar aan de hemel de bron zich bevindt.
Ongeveer 20.000 van dergelijke douches worden elke seconde geregistreerd bij HAWC, maar bijna allemaal zijn het kosmische, geen gamma-stralen. Omdat kosmische stralen worden geladen, wordt hun vliegroute door het universum veranderd door magnetische velden, wat betekent dat hun oorsprongspunten niet kunnen worden bepaald. Gammastralen zijn veel zeldzamer - HAWC ziet er ongeveer 1.000 hiervan per dag - maar ze wijzen in een rechte lijn terug naar hun bronnen. Vorige gammastralingstelescopen moesten meestal op specifieke plekken aan de hemel worden gericht, vaak pas nadat onderzoekers waren gewaarschuwd voor een aantal energierijke fenomenen die zich daar voordeden. Omdat HAWC te allen tijde naar het universum staart, heeft het een betere kans om deze zeldzame flitsen op te vangen.
Voltooid in maart 2015, bracht het observatorium onlangs zijn eerste jaar met gegevens uit - een kaart van de hemel die ongeveer 40 superheldere bronnen onthult, veel uit onze Melkweg. "Dit zijn geen doorsnee sterren, " zei natuurkundige Brenda Dingus van Los Alamos National Laboratory, woordvoerder van HAWC.
De meeste zijn overblijfselen van supernova, de nasleep van de krachtige explosie die plaatsvindt tijdens de dood van een gigantische ster. Terwijl de schokgolven van deze explosies zich naar buiten uitbreiden, botsen ze met hoge snelheden in omringend gas en stof, waardoor gammastraling ontstaat - een proces dat duizenden jaren kan doorgaan. Het HAWC-team hoopt supernovaresten te ontdekken in verschillende stadia van hun evolutie en hun gegevens te combineren met gegevens van andere telescopen die op verschillende golflengten werken om de details van dit complexe proces te achterhalen. Omdat supernovaresten krachtige magnetische velden hebben, vangen en versnellen ze geladen deeltjes, waardoor kosmische straling ontstaat. Van de meeste kosmische stralen die we zien, wordt gedacht dat ze afkomstig zijn van dergelijke plaatsen, maar ze kunnen ook worden geproduceerd door pulsars - snel ronddraaiende super-dichte neutronensterren die een stralingsbundel uitzenden - en zwarte gaten die rond elkaar cirkelen. HAWC helpt onderzoekers bij het bepalen van het totale vermogen van al deze verschillende kosmische deeltjesversnellers.
De HAWC-gegevens bevatten ook verschillende heldere objecten die zich buiten de Melkweg bevinden. Omdat ze zo ver weg zijn, moeten deze bronnen als schijnwerpers in het universum schijnen. Sommige zijn actieve galactische kernen, jonge sterrenstelsels waarvan het centrale superzware zwarte gat zich vergast aan een enorme overvloed aan gas en stof. Terwijl de materie rond het zwarte gat draait, wordt het opgewarmd, waardoor kolossale stralen van straling vrijkomen. HAWC heeft deze structuren periodiek zien oplaaien, maar precies waarom dit gebeurt, is onbekend.
Het observatorium hoopt ook gammastraaluitbarstingen te herkennen, de meest energieke fenomenen in het bekende universum. Er wordt gedacht dat wanneer een superzware ster in een zwart gat instort, deze explosies in een paar seconden dezelfde hoeveelheid energie vrijgeven als onze zon in de loop van zijn hele leven. Omdat ze zo voorbijgaand zijn, is het moeilijk geweest voor wetenschappers om ze te bestuderen, maar HAWC - die constant de lucht in de gaten houdt - zal naar verwachting minstens een paar per jaar zien.
Dan is er het echt revolutionaire spul dat HAWC mogelijk zou kunnen waarnemen. "Donkere materie zou het coolste zijn om te vinden, " zei Dingus.
Hoewel wetenschappers de zwaartekrachtseffecten van dit vreemde materiaal in het universum kunnen zien, produceert donkere materie geen elektromagnetische straling en verschijnt het dus niet in gewone telescopen. Maar sommige theoretici speculeren dat donkere materiedeeltjes in elkaar kunnen botsen en vernietigen, een proces dat gammastralen zou moeten genereren. Op plaatsen zoals dwerg bolvormige sterrenstelsels, die bijna volledig uit donkere materie bestaan, zou deze vernietiging voortdurend moeten plaatsvinden. Tot dusverre heeft niemand significante gammastraling gezien van deze vage, kleine sterrenstelsels, maar er worden steeds nieuwe ontdekt, waardoor de mogelijkheid ontstaat om eindelijk een van de grootste mysteries in de astronomie open te breken.
Hoe langer HAWC het universum in staart, hoe dieper en gedetailleerder zijn waarnemingen zullen worden. De eerste run van het observatorium is momenteel gepland om te eindigen in 2020. "Maar als we iets cools zien, rennen we misschien langer", zei Dingus.
