Sterrenkundigen doen de laatste jaren de ene na de andere ontdekking. Ze kunnen nu zwaartekrachtsgolven meten en hebben een zwart gat gefotografeerd. Volgens sterrenkundejournalist Govert Schilling staan er nog meer vondsten op stapel. ‘Door de ontdekking van zwaartekrachtsgolven is het alsof we er een nieuw zintuig bij hebben gekregen.’

Uit: Maarten! special – Innovatieve technologie. Bestel het nummer hier

Govert Schilling

Terwijl er op aarde een klimaatcrisis woedt, de Amerikanen sterk gepolariseerd zijn over abortus- en wapenwetgevingen en er wereldwijd geschokt is gereageerd op de Russische agressie in Europa, kolkt de kosmos boven ons hoofd vrolijk verder zonder zich van dit alles iets aan te trekken. Het heelal dijt nog altijd met een duizelingwekkende snelheid uit, kolossen van sterren botsen met zo’n kracht op elkaar dat de ruimte zélf ervan gaat trillen, en op verre planeten zweven moleculen in de lucht die kunnen duiden op leven. Daarbij vergeleken is dat gedoe op aarde maar klein bier.

Verre gebeurtenissen in het heelal halen zelden het acht-uurjournaal. Al zijn er ontdekkingen die toch in de belangrijkste nieuwsbulletins belanden. In 2016 werd bekend dat wetenschappers voor het eerst ruimtetrillingen hadden gemeten: zwaartekrachtsgolven. In 2019 trakteerden onderzoekers de wereld op de eerste foto van een zwart gat. En onlangs publiceerde NASA de eerste beelden die zijn gemaakt met de ruimtelescoop James Webb, die haarscherpe beelden van sterrenstelsels tonen. Sterrenkundejournalist Govert Schilling legt uit waarom deze ontdekkingen zo belangrijk zijn.

Op aarde is het op dit moment een behoorlijk rommeltje. Ben je blij dat je voor je werk juist de ruimte in mag kijken?

‘Ik denk af en toe dat dit precies de reden is dat sterrenkunde bij zoveel mensen aanslaat. Bijna niets in de wereld kun je meer onbevangen tot je nemen. Je wordt tegenwoordig geacht overal een mening, een visie of een oordeel over te hebben. Dat is best vermoeiend. Bij sterrenkunde heb je dat helemaal niet. Het heeft niets te maken met je dagelijks leven. Het draait helemaal niet om jou. Wat voor standpunt moet je nou innemen over de kosmos? Je moet er gewoon lekker van genieten.’

‘Zwaartekrachtsgolven kunnen helpen ontrafelen hoe de structuur van de kosmos is veranderd’

Een van de ontdekkingen waar we recent van konden genieten, was die van zwaartekrachtsgolven. Waarom was deze ontdekking zo’n big deal?

 ‘Zwaartekrachtsgolven zijn zowel een verschijnsel als een manier om te meten. Vergelijk ze met golven in een vijver nadat je er een steentje in hebt gegooid. De golven zijn een verschijnsel op zichzelf, maar je kunt er ook mee meten – namelijk hoe groot het steentje is dat je in de vijver hebt gegooid. Een groter steentje betekent grotere golven. Door de ontdekking van zwaartekrachtsgolven is het alsof we er een nieuw zintuig bij hebben gekregen. We hebben telescopen, waarmee we dingen in de ruimte kunnen zien. Daarnaast hebben we detectoren, waarmee we deeltjes uit de ruimte kunnen ‘voelen’. Met zwaartekrachtsgolven kijk je niet naar wat er dóór de ruimte beweegt, maar naar hoe de ruimte zelf in beweging is.

Iemand vergeleek het eens met een toneelstuk. Het heelal is als een podium waarop toneelspelers – bijvoorbeeld de sterren en de planeten – een stuk uitvoeren. Aan de hand van één scène proberen wij het scenario te achterhalen. Tot nu toe keken we alleen naar de bewegingen van de acteurs, maar nu zien we ineens dat het podium zélf onderdeel is van de voorstelling. De ruimte is geen neutraal, onbeweeglijk decor waartegen alle verschijnselen zich afspelen, maar is onderdeel van het geheel.

Hoe meer energie de toneelspelers in hun spel leggen, hoe meer het toneel zelf gaat bewegen. Wanneer in de ruimte een grote hoeveelheid materie sterk versnelt, bijvoorbeeld door een gigantische explosie, dan begint de ruimte te trillen. Dit is ruim 100 jaar geleden al voorspeld, maar tot 50 jaar terug dacht iedereen dat het effect te klein was om ooit te kunnen meten. Nu is het wel gelukt. Een bijzondere mijlpaal.’

Wat kunnen we met dit nieuwe zintuig?

‘Bijvoorbeeld zwarte gaten waarnemen. Die kun je niet zien, omdat zelfs licht niet aan hun aantrekkingskracht kan ontsnappen. Ze produceren geen straling of deeltjes die wij kunnen waarnemen. Maar als twee zwarte gaten om elkaar heen draaien of met elkaar botsen, dan produceren ze zwaartekrachtsgolven. En die kunnen we wel opvangen. Zwaartekrachtsgolven gaan overal doorheen. Alles wat op hun pad komt trilt mee. Hierdoor kun je zulke fenomenen ongelimiteerd door de hele kosmos bekijken. Nu zijn dat alleen nog zwarte gaten en andere zware objecten, zoals botsende neutronensterren. De belofte is dat we straks een kakofonie aan zwaartekrachtsgolven waarnemen en zo het hele heelal kunnen overzien.’

Hoe gaat dat in zijn werk?

‘Het principe is vergelijkbaar met wat onze hersenen doen. Stel, ik sta buiten. Ik hoor de wind suizen, een auto voorbijrijden, mijn telefoon rinkelt en er staat iemand tegen me te praten. Dat zijn allemaal trillingen, met verschillende frequenties, die op mijn trommelvliezen belanden. Die vliesjes krijgen een heel ingewikkeld trillingspatroon en de hersenen filteren daar probleemloos de verschillende bronnen uit. Dit gaan we ook met zwaartekrachtsgolven doen. Op dit moment kunnen onderzoekers alleen nog heel zware “steentjes in de vijver” meten. Naarmate de meetinstrumenten gevoeliger worden, kunnen we steeds kleinere steentjes meten. Zwarte gaten zijn de grootste steentjes. Daarna komen neutronensterren. Die twee fenomenen zijn nu allebei gemeten. Straks kunnen onderzoekers hopelijk ook lichtere objecten meten.’

Bezoekers van de sterrenwacht van de Amsterdamse universiteit tijdens de Nationale Sterrenkijkdag 2018

Een zwart gat kun je niet zien, maar toch hebben onderzoekers er laatst een kiekje van weten te maken. Hoe hebben ze dat geflikt?

‘Eigenlijk zie je op die foto geen zwart gat, maar alleen de invloed ervan op zijn omgeving. Je ziet verhit gas dat om het zwarte gat heen draait. Ik vergelijk het weleens met een onzichtbare man die bij mij op bezoek komt en op de bank gaat zitten. Zie ik hem dan? Nee, maar ik zie wel een kuil in de bank. En als-ie in bed gaat liggen, dan zie ik dat de lakens kreuken.

We kunnen zwarte gaten al heel lang indirect waarnemen, maar het bijzondere aan deze foto is dat je heel duidelijk kunt zien hoe het licht van het eromheen draaiende gas afbuigt. Die afbuiging is zo sterk dat je zelfs gas ziet dat aan de achterkant van het zwarte gat zit. Het licht buigt er helemaal omheen. Dat veroorzaakt de “ring” die je op de foto ziet.’

De allereerste foto van een zwart gat, vrijgegeven in april 2019

Wat hopen sterrenkundigen van zwaartekrachtsgolven en zwartegatfoto’s te leren?

‘We hebben nog steeds geen eenduidige beschrijving van hoe het universum in elkaar zit. De beste theorie over hoe alles op grote schaal werkt, is de relativiteitstheorie van Einstein. Hij voorspelde hoe alle bewegingen van materie – van het grootste zwarte gat tot de kleinste planeet – eruit zouden moeten zien. Maar zijn theorie werkt niet goed samen met de theorie over hoe alles op de kleine schaal van atomen werkt, de kwantumfysica. De theorie van Einstein kan dus niet het absolute, definitieve verhaal zijn.

Zwaartekrachtsgolven kunnen helpen ontrafelen hoe de structuur van de kosmos in de loop van de tijd is veranderd. Als dit afwijkt van de voorspelling die uit de theorie van Einsteins volgt, dan kunnen we er misschien achter komen in welke richting de theorie moet worden aangepast. Daarbij is de bestudering van zwarte gaten ook van belang. Want wil je een theorie op de proef stellen, dan moet je naar uitzonderlijke situaties kijken. Je moet de extremen bestuderen om het totaal te kunnen begrijpen. Nou, niks extremers dan zwarte gaten. Tot nu toe lijkt alles zich alleen nog altijd te gedragen zoals de relativiteitstheorie voorspelt. Dat is behoorlijk opmerkelijk.’

Is er een andere tak van de sterrenkunde waarbinnen je de komende tijd meer ontwikkelingen verwacht?

‘Dan komen we terecht bij een onderwerp dat misschien wel net zo intrigerend is als zwarte gaten: buitenaards leven. Ik ga niet voorspellen dat we het vinden – dat lijkt me dan weer vrij onwaarschijnlijk. Maar met de nieuwe generatie telescopen – denk dus aan die James Webb-ruimtetelescoop maar ook de Extremely Large Telescope in Chili – kunnen we straks bij planeten die om verre sterren draaien, gaan snuffelen aan de dampkring en meten wat voor stoffen daarin zitten.

Dat lukt nu al bij reuzenplaneten, maar het is een kwestie van tijd voordat dat gaat lukken bij kleinere planeten die op de aarde lijken. Misschien al binnen tien jaar, waarschijnlijk binnen twintig jaar en als we pech hebben pas over veertig jaar. Maar als allerlei metingen straks wijzen op biologische activiteit, dan komt er een moment waarop we zeggen: we hebben het bewijs gevonden.’

‘Wil je buitenaards leven vinden, dan maak je de grootste kans als je op zoek gaat naar micro-organismen’

Waarom vind je het desondanks onwaarschijnlijk dat we daadwerkelijk buitenaards leven vinden?

‘Ten eerste omdat de meeste mensen bij buitenaards leven geneigd zijn te denken aan groene mannetjes en ruimteschepen. Die gaan we echt niet ontdekken. Dan ben je op zoek naar iets wat veel te sterk lijkt op wat we zelf zijn.

Wil je buitenaards leven vinden, dan maak je de grootste kans als je op zoek gaat naar micro-organismen. Daar begint het leven mee. Die zijn het talrijkst en het succesvolst, en ze beïnvloeden hun dampkring. Die kunnen we misschien vinden met de nieuwe generatie telescopen. Maar dan moet wel álles meezitten. Dan moet er een aarde-achtige planeet met een dampkring op de goede afstand van zijn ster staan, binnen dertig lichtjaar van de aarde – een astronomische steenworp afstand. En net dáár moet dan leven zijn ontstaan. De kans daarop lijkt me niet zo groot, want dat zou betekenen dat leven misschien wel héél veel voortkomt. In dat geval waren we er waarschijnlijk al veel eerder op een andere manier op gestuit.

Ik ben dus een beetje pessimistisch. Maar ook als we het niet vinden, gaan we er veel over leren: hoe zeldzaam is het? Hoe vaak komen de omstandigheden voor waarvan wij denken dat ze gunstig zijn voor leven? Op het gebied van deze vragen gaat de komende tien à twintig jaar heel veel gebeuren. Dat is een ding dat zeker is.’

Het sterrenkundig onderzoek lijkt de laatste decennia meer vragen op te leveren dan antwoorden.

‘Tijdens mijn studie had ik een natuurkundeboek waar voorin een wijsheid stond die me altijd is bijgebleven. Stel dat de hoeveelheid lucht die in een ballon zit gelijkstaat aan de kennis die je hebt. Alles buiten de ballon is het onbekende. Neemt je kennis toe, dan neemt het volume van de ballon toe. Maar ook het oppervlak van de ballon – het aantal raadsels op de grens tussen het bekende en het onbekende – neemt toe.’

Zit daar voor jou ook de aantrekkingskracht van sterrenkunde in?

‘Ik vind het leuk dat heel veel nog onbekend is. En het boeit me dat je weet dat er uiteindelijk één verhaal is. Sterrenkunde is een beetje als archeologie. Met een flintertje hier en een stukje daar moeten onderzoekers die ene geschiedenis zien te reconstrueren. Er zijn geen tien variaties, we hebben er geen invloed op en het is geen meningen-arena. Je hoeft niet te kiezen voor een verhaal. Het verhaal van het universum kiest zichzelf.’

Europese reuzentelescoop in Chili

Uit: Maarten! special – Innovatieve technologie. Bestel het nummer hier