Wat is gammastraling?

Opname van de Fermi Space Telescope
Ons melkwegstelsel in kaart gebracht door de Fermi Space Telescope.Deze telescoop kan gammastraling meten. De opname bestaat uit waarnemingen die tussen 2009 en 2011 zijn gemaakt. (Credit: NASA)

Gammastraling is, net zoals radiogolven, infrarode straling, ultraviolette straling, röntgenstraling en microgolven, een vorm van elektromagnetische straling. Gammastralen kunnen worden gebruikt om kanker te behandelen en uitbarstingen van gammastraling in het heelal worden door astronomen bestudeerd.

Elektromagnetische straling wordt uitgezonden in golven of deeltjes op verschillende golflengtes en frequenties. Dit brede gebied van golflengtes is bekend als het elektromagnetische spectrum. Het spectrum wordt algemeen verdeeld in zeven gebieden van afnemende golflengte en toenemende energie en frequentie. De algemene aanduidingen zijn radiogolven, microgolven, infrarode golven, zichtbaar licht, ultraviolet licht, röntgengolven en gammastralen.

Gammastralen vallen in het elektromagnetische spectrum boven de zachte röntgengolven. Gammastralen hebben frequenties groter dan 10^19 cycli per seconde oftewel Hertz (Hz) en golflengtes van minder dan 100 100 picometer (pm). (Een picometer is een biljoenste meter.)

Gammastralen en harde röntgenstralen overlappen elkaar in het elektromagnetische spectrum en dat kan het lastig maken om ze van elkaar te onderscheiden. In sommige werkgebieden, zoals de astrofysica, is er een arbitraire lijn getrokken in het spectrum. Daar worden golven boven een bepaalde golflengte als röntgenstralen geclassificeerd en golven met een kortere golflengte als gammastralen. Zowel gammastralen als röntgenstralen hebben voldoende energie om levend weefsel te beschadigen maar bijna alle kosmische gammastraling wordt door de atmosfeer van de Aarde tegengehouden.

Ontdekking van gammastralen

Gammastraling werd in 1900 voor het eerst waargenomen door de Franse chemicus Paul Villard. Hij was bezig met het onderzoeken van straling afkomstig van radium. Enkele jaren later stelde Ernest Rutherford de naam “gammastraling” voor analoog aan de termen alfastraling en bètastraling die waren gegeven aan deeltjes die tijdens een kernreactie worden gemaakt. Deze naam is blijven hangen.

Bronnen en effecten van gammastraling

Gammastralen worden voornamelijk geproduceerd door vier verschillende nucleaire reacties: fusie, splijting, alfaverval en gammaverval.

Kernfusie is de reactie die de Zon en de sterren aandrijft. Deze reactie treedt in een proces van meerdere stappen op waarbij vier protonen, oftewel waterstofkernen, onder extreme druk en temperatuur worden gedwongen met elkaar te fuseren tot een heliumkern. Deze heliumkern bestaat uit twee protonen en twee neutronen. Deze resulterende heliumkern is ongeveer 0,7% minder zwaar dan de vier protonen die aan de reactie begonnen. Dat massaverschil is omgezet, volgens de beroemde vergelijking van Albert Einstein E = m * c2, in energie. Ongeveer 2/3de van de vrijgekomen energie is gammastraling. De rest van de energie komt vrij in de vorm van neutrino’s die een massa van bijna nul hebben. In de latere stadia van het leven van een ster, als de waterstofvoorraad op is, kunnen er door middel van kernfusie nog zwaardere elementen worden gemaakt. Dit gaat tot en met ijzer. Maar deze reacties vereisen per element steeds meer energie.

Een andere bekende bron van gammastraling is kernsplijting. Kernsplijting wordt gedefinieerd als het splitsen van een zware kern in twee min of meer gelijke delen die dan de kernen van lichtere elementen zijn. In dit proces, waarbij botsingen met andere deeltjes zijn betrokken, breken zwaardere kernen zoals uranium en plutonium in kleinere elementen zoals xenon en strontium. De resulterende deeltjes van deze botsingen kunnen op andere zware kernen inslaan waarbij er een nucleaire kettingreactie optreedt. Er komt energie vrij omdat de gecombineerde massa van de resulterende deeltjes kleiner is dan de massa van de oorspronkelijke zware kern. Dat massaverschil is omgezet in, volgens E = m * c2, omgezet in de vorm van kinetische energie van kleinere kernen, neutrino’s en gammastraling.

Andere bronnen van gammastraling zijn alfaverval en gammaverval. Alfaverval treedt op als een zware kern een helium-4 kern afsplitst waardoor zijn atoomnummer verminderd met 2 en zijn atoomgewicht met 4. Dit proces kan een kern achterlaten met een overmaat aan energie die in de vorm van gammastraling wordt uitgezonden. Gammaverval treedt op als er te veel energie aanwezig is in de kern van een atoom waardoor het gammastraling uitzendt zonder dat het massa of lading verliest.

Artist ompression van een gammaflits
Artist impression van een gammaflits waarbij de energie van de exploderende ster wordt gefocusseerd langs twee jets vanaf de polen. We kunnen deze jets alleen waarnemen als ze richtig de Aarde zijn gericht. Credit: NASA/Swift/Mary Pat Hrybyk-Keith and John Jones (via Wikipedia)

Gammastralen therapie

Gammastralen worden soms gebruikt om kankertumoren te behandelen. Dit gebeurt door het DNA van tumorcellen te beschadigen. Echter moet dit heel voorzichtig worden toegepast want gammastralen kunnen ook het DNA van de omliggende gezonde weefselcellen beschadigen.

Een manier om de dosering aan kankercellen te maximaliseren terwijl de blootstelling aan gezonde weefsels wordt geminimaliseerd, is door, met behulp van een lineaire versneller, vanuit verschillende richtingen meerdere gammastralen naar het doelgebied te sturen. Dit werkingsprincipe wordt ook wel CyberKnife en Gamma Knife-therapie genoemd.

Bij zogenaamde Gamma Knife radiochirurgie wordt gebruik gemaakt van gespecialiseerde apparatuur om bijna 200 kleine stralingsbundels op een tumor of een ander doel in de hersenen te richten. Elke individuele straal heeft heel weinig effect op het hersenweefsel waar het doorheen gaat maar er wordt een sterke straling afgegeven op het punt waar de stralen elkaar ontmoeten.

Gammastralen astronomie

Een van de meer interessantere bronnen van gammastraling zijn zogenaamde Gamma Ray Bursts (GRB’s), uitbarstingen van gammastraling. Dit zijn gebeurtenissen met een extreem hoog energieniveau die slechts enkele milliseconden tot een seconde duren. Ze werden voor het eerst in de jaren ’60 waargenomen en tegenwoordig nemen we er gemiddeld eentje per dag waar.

Uitbarstingen van gammastraling zijn de meest energetische vorm van licht. Ze schijnen honderden keren helderder dan een typische supernova en ongeveer een miljoen tot een biljoen maal helderder dan onze Zon.

Voorheen werd aangenomen dat ze afkomstig zijn van de laatste stadia van verdampende zwarte gaten. Tegenwoordig is men er van overtuigd dat de afkomstig zijn van de botsingen tussen compacte objecten zoals neutronensterren. Andere theorieën schrijven deze gebeurtenissen toe aan het ineenstorten van superzware sterren waaruit zwarte gaten ontstaan.

Hoe dan ook, GRB’s kunnen zoveel energie produceren dat ze, voor enkele seconden, een heel sterrenstelsel kunnen overstralen. Omdat de atmosfeer van de Aarde de meeste gammastraling absorbeert kunnen we ze alleen zien met ballonnen die we hoog in de atmosfeer op laten of telescopen in een baan om de Aarde.

 

Eerste publicatie: 14 april 2015
Volledige revisie: 27 juli 2020