Is er een Super-Einstein in de zaal?
Interview met de Leidse sterrenkundige Vincent Icke

Sterrenkunde is een mooi vak. Met de nieuwste telescopen en satellieten naar het heelal kijken...wat is er mooier dan dat? Toch speelt niet het hele sterrenkundige onderzoek zich af in sterrenwachten en controleruimtes. Er is ook nog die ándere sterrenkunde: die van de theoretici. Achterkanten van enveloppen en stapeltjes kladpapier zijn hun wapens. En computers natuurlijk, al moet de waarde van deze ‘instrumenten’ niet worden overschat. Vernieuwend theoretisch sterrenkundig onderzoek begint niet in het digitale brein, maar in de ‘twee pond kledder tussen onze oren’, aldus de Leidse sterrenkundige Vincent Icke in het vraaggesprek dat ik begin juni 2000 met hem had. Over het vakgebied waar falen de norm is en 99 van de 100 theorieën op niets uitlopen...

Theoretisch onderzoek begint met analytisch werk – gewoon op de achterkant van een oude envelop of zo, met pen en papier dus. Als je die eerste stap niet zet, leer je het nooit. Dan kan het best zijn dat je computer resultaten uitspuugt, maar wat die resultaten dan betekenen, dat weet je niet. Het is hetzelfde als met waarnemen: je neemt een stuk van de hemel waar en dan heb je een plaatje. En dat is het dan... Wat het je leert over de grote eigenschappen van het heelal, weet je pas als je een heleboel van die waarnemingen bij elkaar gaat sprokkelen. Bij theoretisch onderzoek moet je dus, zo goed en zo kwaad als het gaat, analytisch werk doen.’

Zeg je dat ook een beetje omdat er bij de jongere generaties sterrenkundigen een beetje de trend heerst om gelijk maar de computer aan het rekenen te zetten?
‘Dat is absoluut waar. En dat werk gooi ik dan ook meteen in de prullenbak, letterlijk. Bij heel erg veel theoretisch onderzoek dat er vandaag de dag verschijnt, gebruikt men de computer op dezelfde manier zoals een kantoorbediende dat doet: met een bestaand softwarepakket. Maar zo’n pakket is veelal niet speciaal voor die doeleinden ontworpen; het heeft bepaalde eigenaardigheden of beperkingen of gaat zelfs uit van onfysische benaderingen. Als je niet echt precies weet wat er gedaan is bij het programmeren van die software, kun je eigenlijk geen idee hebben van waar je mee bezig bent.
Mensen die geen eigen software kunnen schrijven, studeren – in mijn onderzoeksgroep althans – nooit af. Er wordt vaak hoog opgegeven over de computervaardigheden van de jeugd, maar daar is helemaal geen sprake van! Het enige dat ze kunnen, is met een muis schuiven. Van het zelf programmeren weten ze helemaal niets af, uitzonderingen daargelaten. En deze uitzonderingen worden steeds zeldzamer.’

Wat voor soort onderzoek gebeurt er in jouw onderzoeksgroep?
‘Dat is heel divers: kosmologie, gravitatielenzen, het ontstaan van planetaire nevels... Bij dat laatste onderwerp komt vaak een zeer groot aantal zeer subtiele ingrediënten kijken. Ik ben nu bijvoorbeeld bezig om met promovendus Yvonne Simis het gedrag van stoffige gassen te onderzoeken. Sterren zoals onze zon gaan aan het einde van hun leven door een fase die de ’asymptotische-reuzentakfase’ wordt genoemd. Daarbij stoten ze eerst een langzame sterrenwind af, maar daarna wordt die wind plotseling zeer veel sneller en ijler en ontstaat er een planetaire nevel. We zijn nu vooral bezig met de eerste fase: wat gebeurt er in die atmosferen die met een kilometer of tien per seconde en met een vrij hoge dichtheid worden afgestoten? Daar komt nogal wat bij kijken. In zo’n steratmosfeer klonteren eerst de atomen samen tot moleculen en vervolgens de moleculen tot stofdeeltjes, waarbij altijd een zekere hoeveelheid restgas achterblijft. Die stofdeeltjes worden dan door de stralingsdruk van de ster versneld en botsen tegen de overgebleven gasdeeltjes aan en sleuren de hele atmosfeer mee naar buiten. Hier spelen ingewikkelde natuur- en scheikundige processen een rol: we hebben wel enig inzicht in hoe deze analytisch in elkaar steken, maar het is in dit geval ook absoluut noodzakelijk numerieke berekeningen te doen. En daar komen leuke dingen uit. Zo hebben we vastgesteld dat de atmosfeer van zo’n oude ster gepulst materie verliest, met een pulsperiode van ongeveer 500 jaar, en dat is inmiddels ook waargenomen.’

Hoe zit het met het theoretische onderzoek in de kosmologie?
‘Daar doen we ook wel numeriek werk, maar op dit moment niet met supercomputers. We zitten eigenlijk nog in het analytische stadium. Het probleem is dat je driedimensionaal moet werken, en dat is heel erg lastig. Er is wel een oude benaderingsmethode, die bedacht is door Leon Lucy, waarbij de ’deeltjes’ in het computermodel zich gedragen als ‘spekkies’: ze vliegen langs elkaar heen, maar als ze elkaar raken, blijven ze aan elkaar vastkleven. Zo’n model bestaat uit twee soorten ‘deeltjes’: ‘deeltjes’ die zich botsingsloos gedragen, zoals sterren, en ‘deeltjes’ die zich als ‘spekkies’ gedragen, waarbij de ‘spekkies’ voor gas staan. Je kunt analytisch aantonen dat dit model een zeer slechte benadering is van de wijze waarop gas zich gedraagt. Schokgolven bijvoorbeeld kun je op deze manier niet goed beschrijven.’

Betekent dat dus dat kosmologische modellen en computersimulaties die op basis van de ‘spekkies’–-methode zijn gemaakt niet juist zijn?
‘Zeker, daar ontbreekt het nodige aan. Al is het niet slecht om op deze manier een eerste indruk te krijgen van wat zich zoal in het heelal afspeelt. Je moet immers ergens beginnen. Maar het probleem is dat er zeer vergaande conclusies uit deze modellen worden getrokken, en volgens mij is men daarmee op het verkeerde pad. In plaats van een betere rekenmethode te zoeken, gaat men er gewoon steeds meer ‘deeltjes’ in stoppen. Maar de basisproblemen met deze methode blijven bestaan. Dit is weer zo’n voorbeeld van mensen die een bestaand computerprogramma voorgeschoteld krijgen en daar braaf mee aan de slag gaan, omdat hun promotor zegt dat dat moet.’

Is dat niet een beetje te wijten aan de bestaande universitaire opleidingsmethoden, waarbij een promovendus hooguit een jaar of vier de tijd krijgt om zijn of haar onderzoek te voltooien? Misschien is er anders niet genoeg tijd...
‘Misschien wel, ja....ik weet het niet. Maar we zijn hier niet op een of ander advocatenkantoor, maar aan een universiteit. Je doet het goed of je doet het niet. Sommige dingen duren nu eenmaal langer.’

Maar hoe moet het nou verder met die ‘spekkies’?
‘Ik ben op dit moment bezig om een andere methode te ontwerpen, die langzamerhand terrein wint in de kosmologie. Deze methode wordt adaptive mesh refinement genoemd (‘aangepaste roosterverfijning’). Daarbij wordt geen gebruik meer gemaakt van ’deeltjes’ en ‘spekkies’, maar wordt de ruimte ingedeeld in een groot aantal roostercellen, een soort doosjes waar een zekere hoeveelheid gas in zit. En de grootte van deze ‘doosjes’ is aangepast aan de dichtheidsverdeling: waar veel gas zit heb je kleine ‘doosjes’ en waar weinig gas zit heb je grote ‘doosjes’. Vergelijk het maar met de postcodeverdeling van Nederland: in dichtbevolkte steden zijn de postcodegebieden heel klein, maar in Friesland bijvoorbeeld juist heel groot.
De eerste resultaten zijn veelbelovend, maar bij kosmologische toepassingen van deze methode stuit je op een aantal problemen. Het grootste probleem is dat je weet dat bij het ontstaan van sterrenstelsels stralingstransport een belangrijke rol moet spelen. Je moet dus niet alleen de verplaatsing van gas berekenen, maar ook de manier waarop straling van ‘doosje’ naar ‘doosje’ gaat. En dat is knap lastig. Rien van de Weygaert in Groningen en ik zijn bezig om dat uit te werken, maar daar zullen nog wel de nodige jaren overheen gaan.’

We hebben het nu gehad over het nabootsen van het heelal in een computer. Maar hoe staat het nu eigenlijk met de theorie erachter? Welke stukjes geschiedenis van het heelal zijn goed bekend en welke niet? Waar zitten de grote knelpunten?
‘Eigenlijk helemaal aan het begin en aan het eind. Het allereerste begin van het heelal, de allereerste picoseconden, daar weten wij eigenlijk niet zo veel van. De natuurkunde laat ons daar een beetje in de steek....ach, nee: dat klinkt wat ondankbaar....we kunnen er met onze huidige natuurkundige kennis gewoon niet goed aan rekenen. We weten met name niet waar de oneffenheden in het heelal vandaan komen, de kleine oneffenheden in dichtheid en temperatuur kort na de oerknal. Wat we wél kunnen uitrekenen is wat er gebeurt als die oneffenheden er eenmaal zijn, en ze in de loop van de uitdijing van het heelal gaan samentrekken tot grotere structuren. Maar aan het eind van die ontwikkeling – als de gaswolken zich gaan samentrekken tot sterren en sterrenstelsels – schiet ons inzicht weer tekort. En dat proces speelt zich af sinds zeg maar 500 miljoen jaar tot een miljard jaar na de oerknal.’

Dat laatste is ook net het terrein waar de meest ‘diepe’ waarnemingen van het heelal zich afspelen. Zal het dan niet al heel snel duidelijk worden wat zich toen heeft afgespeeld? Anders gezegd: ontmoeten waarnemende sterrenkundigen en theoretici elkaar daar?
‘Dat is inderdaad waar. De volgende generatie ruimtetelescopen, die de microgolf achtergrondstraling en verre sterrenstelsels zullen waarnemen, zal daarbij een belangrijke rol spelen.’

Over dat deel van de geschiedenis van het heelal zullen we dus mogelijk snel duidelijkheid krijgen. Maar hoe zit het dan met die oerknal? Hoe kom je daar ooit achter?
‘Dat weet je niet. Je kunt daar ook niet naar toewerken. Wetenschap werkt nu eenmaal niet planmatig. Wezenlijke vooruitgang ontstaat pas na een echte vondst: een echte ontdekking door één mens. Dat neemt niet weg dat er ook zoiets is als ’ambachtelijk onderzoek’. Neem bijvoorbeeld dat onderzoek aan die planetaire nevels: dat kun je verder verfijnen door met een veel snellere computer te werken. En dat is ook zinvol: je vindt dan altijd details die je eerder nog niet had gezien. Maar veel meer dan poetsen is dat niet. Vernieuwend onderzoek begint vrijwel altijd op kleinere schaal. Trouwens, ze zien me bij zo’n supercomputer al aankomen met een vernieuwend project: dat doen ze helemaal niet. En terecht: je gebruikt de Very Large Telescope ook niet om een zoekkaartje mee te maken, dat doe je maar met een kleiner instrument.’

Een voorbeeld van een onverwachte ontdekking is die van de mogelijke versnelde uitdijing van het heelal, anders gezegd: de mogelijkheid dat er een ‘kosmologische constante’ is die het heelal doet opzwellen. Is die ook met theoretische modellen te verklaren?
‘Het eerste model voor een versneld uitdijend heelal is afkomstig van De Sitter, zo rond 1918. De Sitter heeft aangetoond dat er, uitgaande van de algemene relativiteitstheorie, verschillende soorten heelal mogelijk zijn. Eén van de mogelijkheden is een versneld uitdijend heelal waar helemaal geen materie in zit. Albert Einstein schrok zich rot toen hij dat zag, maar moest toegeven dat het toch een mogelijke consequentie van zijn theorie was. Maar de bewering dat zo’n versnelde uitdijing nu ook echt is waargenomen, heb ik om diverse redenen van het begin af aan kletskoek gevonden. In de eerste plaats is er maar één waarneemmethode, en dat is in de kosmologie vrágen om ellende. In de tweede plaats gaat het over het waarnemen van supernovae, waar we toch al erg weinig vanaf weten, en bovendien dan nog eens over supernovae op erg grote afstand. Zodra je spreekt over afstanden groter dan een miljard lichtjaar, kijken we naar een fase waarin het heelal er héél anders uitzag dan nu, vooral waar het de hoeveelheden zware elementen betreft. Norbert Langer van de Universiteit Utrecht heeft daar eens aan gerekend, en vastgesteld dat supernovae van type Ia een veel grotere verscheidenheid vertonen dan de waarnemers ons willen doen geloven.
Maar er is nog iets fundamentelers aan de hand. Als je de grootte van die waargenomen kosmologische constante uitdrukt in dezelfde maat als de massa-energiedichtheid van het heelal, dan blijkt dat deze ongeveer aan elkaar gelijk zijn. Dat zou betekenen dat het heelal juist op dit moment tussen twee uitersten in zit: het ene uiterste waarbij de uitdijing van het heelal wordt gedomineerd tussen massa en energie, en het andere waarbij het heelal geheel wordt gedomineerd door de energie van het vacuüm – de kosmologische constante. En dat geloof ik niet. Want als we een miljard jaar later waren langsgekomen – en dat had biologisch best gekund – dan was het heelal al exponentieel aan het expanderen. Maar zover zouden we dus nog nét niet zijn...flauwekul!
De systematische fouten bij dit soort waarnemingen zijn zeer groot, en bovendien is de zaak alweer aan het kenteren. Oorspronkelijk was er enorm veel enthousiasme voor, maar er zijn steeds minder onderzoekers die er vertrouwen in hebben. Kort gezegd: de waarnemingen zijn zeer hachelijk en de natuurkunde die erachter zou moeten steken begrijpen we niet... dan moet je je oordeel dus maar even opschorten. Alle waarnemingen die tot nu toe zijn gedaan, zijn niet in tegenspraak met een kosmologische constante die nul is. Wat op zichzelf natuurlijk ook een interessant gegeven is, omdat je je dan kunt afvragen waarom dat zo is. Maar dat weten we gewoon niet.’

Eigenlijk vindt er voortdurend een zekere strijd plaats tussen theoretici en waarnemers. Maar eigenlijk kunnen de eersten hun gelijk pas bewijzen als de laatsten hun werk hebben gedaan. Is dat niet frustrerend?
‘Theoretici krijgen altijd op hun smoel van de waarnemingen. Dat is al zo sinds Galilei en daarvoor nog. Je kunt de prachtigste theorie hebben, maar als de waarnemingen laten zien dat het anders is, moet je bakzeil halen. Dat hoort gewoon bij het vak.’

De enige zekerheid die je als theoreticus voor de komende jaren hebt, is dat de computers groter en sneller zullen worden. Maar als ik je goed begrijp zal dat geen garantie zijn voor het oplossen van grote kosmologische problemen, zoals de fysica van de oerknal...
‘Dat computers groter en sneller worden, is een gemak maar geen noodzaak. Vergelijk het maar met het aanleggen van luchtlijnen en autowegen. Eerst ontdekt iemand na veel inspanningen een nieuw continent. Als je eenmaal weet dat dat continent er is, kun je een vliegveld aanleggen of een snelweg, en kun je het land veel makkelijker bereiken. Zo is het ook met computers in de sterrenkunde. Het pionierswerk wordt niet door computers gedaan, maar speelt zich af in die twee pond kledder tussen onze oren. Maar voor het ’ontginnen’ van een theorie zijn computers onontbeerlijk: ze doen het monnikenwerk. Je kunt met een computer bijvoorbeeld heel snel nagaan of je veronderstelling deugt of niet.’

Geen doorbraak door een supercomputer, dus, maar wel op de achterkant van een oude envelop?
‘Vergeet de waarnemingen niet. Het zou best eens kunnen zijn dat de volgende doorbraak in de sterrenkunde op naam komt te staan van de nieuwe generatie waarneeminstrumenten. Wat prachtig is natuurlijk.
Als we ons beperken tot de theoretische ontwikkelingen, dan zal een doorbraak niet gelegen zijn in grootschalige berekeningen, maar eerder in de natuurkunde zélf. De afgelopen eeuw hebben we leren begrijpen hoe de microstructuur van de materie – atomen, atoomkernen enzovoorts – in elkaar zit. Het ligt voor de hand om te denken dat ook ruimte en tijd een microstructuur hebben. Als we de oerknal willen begrijpen, zullen we de microstructuren van de materie en van ruimte en tijd op voet van gelijkheid moeten behandelen. In de kosmologie is het wachten op een Super-Einstein die ons leert hoe ruimte en tijd zich op de allerkleinste schalen gedragen. En mijn vermoeden is dat dit een buitengewoon dramatische omwenteling in de natuurwetenschappen tot gevolg zal hebben, al hebben we nog geen idee hoe die theorie eruit zal zien...’