Theoreten hebben een ladder uit de hemel neergelaten

In Intelligentie, Onderzoek by Zyg Murach

Het heelal heeft de respectabele leeftijd van 13,8 miljard jaar. Naar verwachting zien we ooit babyfoto’s van het heelal met een techniek die nu nog in de kinderschoenen staat: zwaartekrachtgolven. 

Einstein voorspelde ze, maar pas een eeuw later werden ze voor het eerst waargenomen. Professor Gijs Nelemans van de Radboud Universiteit in Nijmegen mocht als expert bij tv-programma De Wereld Draait Door de champagne ontkurken. Twee jaar later schetst de hoogleraar de huidige stand van zaken en geeft hij zijn kijk op de verhoudingen tussen geniale solisten met hun reuzenbrein in de wolken en down-to-earth teamplayers die het handwerk verrichten.

Nog voor de eerste vraag is gesteld, vliegt Nelemans erin. De introductie over Mensa (‘we hebben veel interesses en ideeën, maar we slaan weleens stappen over’) triggert de verzuchting: “Ah, het Verlinde-effect.” Achtergrond is de recente claim van de prominente Nederlandse theoretisch natuurkundige Erik Verlinde dat hij de zwaartekracht kan verklaren. En passant lost hij nog enkele andere grote vraagstukken op. In theorie dan, want er is geen bewijs. Nelemans: “Ik acht Verlinde hoog, maar ik begrijp eerlijk gezegd niets van wat hij zegt. Hij heeft misschien wat te pakken, maar de kans op een fundamentele stap in de wetenschap is al klein, laat staan de kans dat hij met één stap een aantal grote problemen oplost. Dat is nog nooit voorgekomen! Dat alleen al is slecht nieuws voor meneer Verlinde. Zolang het ging over zwaartekracht, prima, maar nu wil hij in één klap dark energy, dark matter en nog meer zaken verklaren.”

Theoretische dromers

Traditionele wetenschapsbeoefening gaat als volgt, licht Nelemans toe. “Je bedenkt een model of theorie. Daarmee ga je rekenen en doe je bepaalde voorspellingen en die vergelijk je met metingen zodat je kunt zien wat er van klopt. Maar theoretische fysici zitten ineen droomwereld. Ze hebben geen gegevens waarop ze kunnen bouwen. Uit de schoonheid van het idee moeten we maar bepalen of het zinnig is. Ik kan er niks mee. Verlinde zou zelf zijn schouders onder een programma moeten zetten dat zijn ideeën omzet in verifieerbare stellingen.” De theoretische benadering lijkt bij Nelemans een open zenuw te raken: “Iemand die van zichzelf zegt dat hij de nieuwe Einstein is? Daar moet je mee oppassen. Verlinde is zeker niet gek en één van de slimste mensen in Nederland, maar hij legt een claim dat hij de crux heeft gevonden. Het enige wat ik tot zijn verdediging kan aanvoeren is dat er alom wat jaloezie heerst, dat toch wel. Sorry dat ik achteraan de vragenlijst begonnen ben.”

Stand van zaken LIGO/Virgo-onderzoek

Nelemans herpakt zich en beantwoordt rustig de eerste vraag op de lijst, een inkoppertje over het aantal waarnemingen van zwaartekrachtgolven tot nu toe. Hij moet even tellen: “Eén, twee, drie, vier, vijf, zes,” om heel bewust te eindigen met 6,8. Dat is jargon voor zes bevestigde waarnemingen en eentje met tachtig procent zekerheid. De waarnemingen werden gedaan door LIGO/Virgo, een samenwerking van twee observatoria in de Verenigde Staten en een in Italië, plus nog zeventig telescopen op aarde en in de ruimte. Nelemans: “We hebben ons in dat LIGO/Virgo-onderzoek moeten wurmen, ik heb veel mensen hard moeten overtuigen. Zeker tachtig procent van de mensen bij LIGO/Virgo wilde gewoon testen of de golven bestonden ja of nee. Een artikel over de sterrenkundige implicaties van het bestaan van zwaartekrachtgolven [RED: Astrophysical Journal Letters, februari 2016] heb ik met een Amerikaanse collega geschreven, want weinig mensen hadden er verstand van.”

Robbert Dijkgraaf, Nederlands natuurkundige en directeur van het Institute for Advanced Study in Princeton (bekend als thuisbasis van Einstein) sprak na de ontdekking van een nieuwe periode in de sterrenkunde. Voor Nelemans wordt het pas interessant, zo zegt hij, na de eerste geslaagde meting en de Nobelprijs. “Dan gaan we iets leren over het heelal. Van hoe ver komen die golven en van welk soort objecten? Hoe zwaar zijn die zwarte gaten en neutronensterren, zijn de massa’s vergelijkbaar, bevatten ze veel zware metalen, waren de dubbelsterren vroeger anders, et cetera.” Wat Nelemans een goede ontwikkeling vindt is dat hij dankzij de zwaartekrachtgolven een samenwerking aan kan gaan met ‘nog zo’n theoreet’ Thomas Hertog, professor aan het Instituut voor Theoretische Fysica van de KU Leuven.

Wat zijn zwaartekrachtgolven?

Zwaartekrachtgolven zijn extreem kleine ‘rimpelingen’ in de ruimtetijd. Ze ontstaan wanneer grote massa’s sterk versneld worden. Dat gebeurt bijvoorbeeld bij exploderende sterren of bij botsende zwarte gaten. Het bestaan van zwaartekrachtgolven werd in 1916 al voorspeld door Albert Einstein, maar het duurde honderd jaar voordat ze voor het eerst daadwerkelijk werden gemeten. Een zwaartekrachtgolf moet je je niet proberen voor te stellen als een golf ín de ruimte (zoals een watergolf of een lichtgolf), maar als een golf ván de ruimte – of liever gezegd, van de ruimtetijd. Die wordt afwisselend een klein beetje opgerekt en ingedrukt wanneer er een zwaartekrachtgolf passeert. Doordat zwaartekrachtgolven door niets worden tegengehouden, bieden ze sterrenkundigen de mogelijkheid om verschijnselen waar te nemen die met gewone telescopen niet zichtbaar zijn. In de toekomst bieden ze mogelijk ook een nieuwe kijk op het ontstaan van het heelal.

Govert Schilling, wetenschapsjournalist

Welwillende theoreten

Nelemans legt uit: “Hertog heeft met Stephen Hawking gewerkt en vertelt me allemaal dingen waar ik heel weinig van begrijp. Maar nu gaan we concreet aan de slag om te rekenen aan het grensvlak tussen zijn theoretische wereld binnen een zwart gat en de praktische wereld daarbuiten. Mijn eerste vraag aan die collega in Leuven was: hoe ver buiten het zwarte gat hebben jouw ideeën nog invloed? Tot op twee horizonstralen of tien of veel meer of veel minder? Pas als ik dat weet kunnen we praten over metingen met röntgen- of radiogolven. Men kijkt dan heel verbaasd want zo heeft men er nog nooit over nagedacht. Nu het meten van zwaartekrachtgolven echter bewezen technologie is, wil men nadenken over simplistische modellen van hun ideeën om er metingen op los te laten. De theoreten zijn welwillend geworden. Ze hebben een ladder uit de hemel neergelaten.”

CMB_Timeline300_no_WMAP-DUTCH

Beeld: Wikipedia

 

Babyfoto’s

De vraag is hoe nu verder. Hoe gaan we zo ver terug kunnen kijken in het heelal dat de babyfoto’s te zien zijn? Daarvoor is schaalvergroting van detectoren nodig. LISA komt ter sprake, de Laser Interferometer Space Antenna, een Europese detector van zwaartekrachtgolven in de ruimte die hopelijk in 2030 gelanceerd gaat worden. Nelemans: “Ik ben heel fanatiek op LISA, daarmee gaan we flink opschalen. Als vuistregel moet een detector even groot zijn als wat hij detecteert. De LIGO/Virgo-detectoren zijn enkele kilometers lang. De detectoren van LISA komen maar liefst 2,5 miljoen kilometer uit elkaar te hangen. Dat maakt ze veel gevoeliger. Een superzwaar zwart gat kan wel een miljoen kilometer groot zijn. Dus we gaan zwaartekrachtgolven zien van botsende melkwegstelsels. We gaan veel verder het heelal inkijken en dus verder terug in de tijd. Misschien wel tot aan de inflatieperiode of de geboorte van het heelal. De inflatietheorie leert dat meteen na de oerknal het heelal vliegensvlug is uitgedijd, maar die supersnelle inflatie is ook weer gestopt. En een heelal dat zomaar stopt met die snelle uitdijing, zendt zwaartekrachtgolven uit. Ook dat moeten we kunnen meten. Maar niemand weet precies wat we gaan vinden.”

Ruimte voor het reuzenbrein

Wereldwijd werken duizenden mensen aan moderne wetenschappelijke projecten. Apparatuur wordt omvangrijker en duurder. Is er nog ruimte voor persoonlijke inbreng in de wetenschap, voor het geniale reuzenbrein? Nelemans: “Er zijn goede voorbeelden van mensen die de zaak op een beslissend moment vooruithelpen. Neem de natuurkundige Frans Pretorius. De Einstein-vergelijkingen konden we prima simuleren op de computer en dat was nodig om de vorm van zwaartekrachtgolven te voorspellen. Maar het heeft dertig jaar gedonder opgeleverd, want het lukte nooit om twee zwarte gaten meer dan een halve slag om elkaar heen te laten draaien. De simulatie crashte keer op keer. Pretorius heeft dat opgelost met een slim idee. Daarom lagen onze templates klaar, resultaten van simulaties ter vergelijking met de echte waarnemingen: we wisten precies welke gebeurtenis zou leiden tot een bepaalde trillingsvorm.”

Goede ideeën zijn vaak simpel, vindt Nelemans. “Achteraf zeg je: ‘Waarom heb ik dat niet bedacht?’ Supernova’s werden bijvoorbeeld al in de zestiende eeuw waargenomen en gedocumenteerd. Jammer dat we daar zelf niet meer naar kunnen kijken, toch? Maar dat kunnen we wel! Een jonge Amerikaanse student zocht naar kosmische spiegels in de ruimte, zodat het licht van die supernova de aarde nog een keer bereikt maar nu via een vijfhonderd jaar lange omweg. Dat bleek te werken! De crux is dat geniale idee in een praktische vorm te gieten. Er moeten genoeg spiegels zijn en ze moeten op de juiste plek hangen. Geweldig onderzoek!” Nelemans gelooft niet dat iemand een briljante wetenschappelijk ingeving kan hebben zonder dat hij weet hoe de wetenschap werkt. “Een wetenschapper husselt informatie en voegt er iets van zichzelf aan toe. Een enkele keer voelt hij dat hij een goed idee te pakken heeft, dat misschien tot een wetenschappelijke theorie kan uitgroeien.”

Het belang van slimheid in de wetenschap

Met alleen heel slim zijn kom je nergens in de wetenschap, zegt Nelemans. “Natuurlijk moet je ideeën en concepten begrijpen en moet je weten wat er al bekend is. Creativiteit is nodig om gegevens te kunnen mixen. Maar je moethet ook in de praktijk kunnen brengen, een projectvoorstel goed op papier zetten met verstand van geld en inzicht in projectmanagement. En je moet zelfs een beetje opportunist zijn, kijken welke ontwikkelingen er gaande zijn en dan actie ondernemen. Voor mij was optische sterrenkunde interessant. Toen kwamen de zwaartekrachtgolven langs. Ik had het gevoel dat er iets stond te gebeuren en ben gaan meewerken. In de wetenschap kunnen heel veel mensen tegelijkertijd winnen. Het is geen nulsomspel. Je moet er dan wel tegen kunnen dat iedereen meelift op het succes, ook mensen die zelf niet productief zijn. En het leuke van internationale samenwerking is, in eigen land kan iedereen vertellen dat hij de belangrijkste schakel was.”


Gijsbert Akijo Nelemans (1971) is hoogleraar zwaartekrachtsgolf astrofysica aan de Radboud Universiteit in Nijmegen en verbonden aan de KU Leuven. Hij werd geboren in Paramaribo en dankt zijn tweede voornaam aan een stamhoofd van indianen. Op school vond hij natuurkunde leuk en dacht erover om leraar te worden, net als zijn vader. “Tot ik een foldertje van de Universiteit Utrecht zag over sterrenkunde. Dat wilde ik in eerste instantie een jaar gaan doen. Ik vertelde het aan mijn oma en zij vertelde dat haar vader ook sterrenkundige was. Toen bleek dat het Anton Pannekoek Instituut van de Universiteit van Amsterdam naar mijn overgrootvader is vernoemd.” Nelemans adviseert jonge bèta’s om hun studiekeuze niet te laten leiden door een bepaald idee over een carrière. “Dat loopt toch altijd anders. Elke tien jaar verandert de situatie bij universiteiten. De maatschappelijke veranderingen gaan sneller dan de typische tijdschaal waarop de mensen vervangen worden. Daar ben ik me pas recentelijk van bewust geworden. Je moet dus mee veranderen.”

Over de schrijver: Zyg Murach is technisch schrijver. Hij legt technisch ingewikkelde zaken op een eenvoudige manier uit en vormt zo een brug tussen ontwerper en gebruiker.