2016-03 MIRA Ceti sprak met... Henk Hoekstra


Het heelal begrijpen is altijd één van de grote ambities van de mens geweest. Gedurende vele millennia was kosmologie veeleer een metafysica waarbij godsdienst en fantasie de hoofdrol speelden. De twintigste eeuw bracht daar radicaal verandering in: op basis van degelijke natuurkundige theorieën en met behulp van steeds betere waarnemingsinstrumenten vonden astronomen bewijzen die van de moderne kosmologie een precisiewetenschap maakten.

Om mee te zijn in dit verhaal skypete MIRA Ceti met professor Henk Hoekstra (°1973) van de Leidse sterrenwacht. Hij is een autoriteit op het vlak van zwaartekrachtslenzen en werkt ook mee aan een nieuw paradepaardje van de Europese ruimtevaartorganisatie ESA, de ruimtesonde Euclid die ons mogelijk een antwoord zal kunnen geven op de vragen: wat is donkere materie en wat is donkere energie?

 

Henk HoekstraProfessor Hoekstra, uw onderzoek gaat over observationele kosmologie. Hoe bent u daartoe gekomen en wat houdt uw onderzoek concreet in?

Ik ben indertijd sterrenkunde gaan studeren aan het gerenommeerde Kapteyn Instituut in Groningen, en omdat ik tijdens mijn studies de smaak goed te pakken kreeg en er de nodige aanleg voor bleek te hebben, heb ik daar ook een doctoraat behaald.

In die tijd was de zwakke zwaartekrachtslenswerking een onderzoekstechniek die nog niet zo lang werd toegepast en vanuit sommige kringen maakte men er dus de nodige kritische bedenkingen bij. Maar het was zeker een domein dat veelbelovend was, en Marijn Franx en Konrad Kuijken die intussen aan de universiteit van Leiden verbonden zijn maar toen als professor in Groningen werkzaam waren hebben me gestimuleerd om in dat onderzoek verder te gaan. Dus op dat vlak had ik gewoon het geluk dat de opportuniteit zich aandiende, en ik heb gretig toegehapt.

Omdat het Canadian Institute for Theoretical Astrophysics in Toronto in die tijd interessante data had om te werken aan de zwakke zwaartekrachtslenswerking, ben ik voor mijn postdoc in het jaar 2000 daarnaartoe getrokken. En zo kreeg ik meteen ook toegang tot de CFHT, de Canada-France-Hawaii Telescope, op het beroemde observatoriumcomplex van Mauna Kea in Hawaii. De CFHT is een 3,6 m optische en infraroodtelescoop die in 1979 operationeel werd en voorzien was van een camera met een groot beeldveld. Halverwege mijn tijd in Toronto werd de telescoop uitgerust met een nieuwe camera die op dat moment een van de grootste van de wereld was. Om het effect van zwakke zwaartekrachtslenswerking te kunnen detecteren is het nu net van kapitaal belang om grote delen van de hemel met hele scherpe beelden in kaart te kunnen brengen, en daar was de CFHT ideaal voor. In 2004 ben ik dan staflid geworden aan het Department of Physics and Astronomy van de universiteit van Victoria om in 2008 naar Leiden te komen.

Wetenschappelijk gezien heb ik zeer zeker al boeiende stappen gezet die me van het onderzoek naar clusters van melkwegstelsels hebben gevoerd naar de kosmologie. Ik ben ook nauw betrokken bij de bouw van de Europese satelliet Euclid die onderzoek zal doen naar donkere materie en donkere energie. De scepsis van zestien jaar geleden is door de resultaten van ons onderzoek intussen ook zo goed als weggeëbd.

 

Wat is precies het verschil tussen sterke en zwakke zwaartekrachtslenswerking?

Er zijn gevallen waarbij het niet helemaal precies om het ene of het andere gaat, dus zeg maar een grijze zone tussenin, maar globaal gesproken kan je zeggen dat het in het geval van sterke zwaartekrachtslenswerking gaat om een vermeerdering van het aantal beelden van het achterliggende voorwerp rondom de lens. Die staan dan in een al dan niet symmetrische positie ten opzichte van de lens, waarbij het telkens hetzelfde melkwegstelsel betreft maar met alle vervormingen van dien.

Bij zwakke zwaartekrachtslenswerking krijg je geen meervoudige afbeeldingen te zien, maar slechts één vervormd of uitgerekt beeld van het ver achter de lens gelegen object. Het effect is veel subtieler, je ziet het eigenlijk niet meteen. Als je op een beeldveld met daarop veel melkwegstelsels statistisch te werk gaat door uit te middelen, zal je zien dat ze door de afbuiging van de lichtstralen een voorkeurrichting hebben gekregen.

 

En het is daarom dat jullie die overzichtsbeelden nodig hebben, die zogenaamde ‘surveys’ met hun grote beeldvelden, om daar dan statistisch relevant materiaal uit te halen?

Absoluut. Bij de sterke lenswerking zie je rechtstreeks op de foto de vervormingen ten gevolge van de zwaartekracht, terwijl je bij de zwakke lenswerking heel nauwkeurig moet gaan meten om vervormingen van de melkwegstelsels te detecteren. Sommige onderzoekers waren beducht voor de berekende resultaten omdat er ook vervormingen in het waargenomen signaal optraden ten gevolge van atmosfeereffecten en de optiek van de gebruikte telescopen, je had dus steeds aanzienlijke systematische fouten ten opzichte van het signaal, de kunst is dus om goed te corrigeren tot alle ruis uit het originele licht geëlimineerd is en de sceptici te overtuigen dat je op een wetenschappelijk correcte manier hebt gecorrigeerd. En op dat vlak is er de voorbije jaren heel veel vooruitgang geboekt.

 

Eens Euclid met zijn waarnemingen kan beginnen zullen de resultaten nog veel spectaculairder zijn. Kunt u het belang van deze ruimtemissie even toelichten?

Euclid is een ESA-satelliet die als alles volgens plan loopt in 2020 zal gelanceerd worden. Hoofddoel van het hele project is precisiemetingen te doen van de versnellende uitdijing van het heelal om zo meer te weten te komen over donkere materie en donkere energie. Volgens het huidige standaard heelalmodel zijn donkere materie en donkere energie immers goed voor zesennegentig procent van wat ons heelal behelst. Je kan Euclid zien als een opvolger van de Planck-satelliet die de voorbije jaren heel relevant werk heeft gepresteerd in het kosmologisch onderzoek.

De satelliet is speciaal ontworpen om o.a. een hele grote survey te doen met het oog op zwakke zwaartekrachtslenswerking. En kijk eens naar de evolutie die we meemaken: in het begin deden we surveys met een beeldveld van honderdvijftig vierkante graden, momenteel halen we met de VLT Survey Telescope in Chili vijftienhonderd vierkante graden. Eens Euclid operationeel is gaan we nog eens een factor tien beter doen, dus dat wordt vijftienduizend vierkante graden. Onvoorstelbaar, nietwaar? Bovendien gebeuren de waarnemingen in de ruimte, wat zorgt voor veel stabielere beelden met een kwaliteit zoals het schitterende materiaal afkomstig van de Hubble-ruimtetelescoop. Het geeft een fijn gevoel om aan een dergelijk groots project te kunnen meewerken.

 

Met welke instituten werken jullie samen?

Euclid is een samenwerking van meer dan twaalfhonderd wetenschappers uit veertien Europese landen en de VS. Er zijn meer dan honderd onderzoeksinstituten bij betrokken, je mag gerust stellen dat zo goed als elke plek in Europa waar men aan kosmologie of extragalactische sterrenkunde doet op hoog niveau eraan meewerkt. En zo is Euclid meteen een heel stuk groter dan vele andere projecten.

 

En de voorbereidingen verlopen naar wens?

Ja zeker. Onlangs was ik bijvoorbeeld in Parijs i.v.m. het plannen van de kalibraties, we bespreken dan met vakgenoten de resultaten met het oog op eventuele aanpassingen die nodig zijn. Weldra kunnen de CCD’s uitvoerig worden getest en in de camera’s ingebouwd worden. Je ziet, we zitten al volop in de bouw- en testfase, en dat zal nog wel even duren omdat het allemaal zo heel erg gesofisticeerde toestellen en experimenten zijn. Maar alles gaat rustig vooruit richting 2020 wanneer onze satelliet met een Sojoez-raket vanaf de ESA-lanceerbasis in Frans-Guyana zal gelanceerd worden naar het Lagrangepunt L2.

 

Op het vlak van kosmologie is er de laatste vijftig jaar enorm veel veranderd, nietwaar?

Dat kan je wel stellen. Een tijd geleden las ik een boek over de geschiedenis van de wetenschap dat begin jaren 1960 verscheen. Als je kijkt naar het beeld van het heelal dat men toen had mag je gerust zeggen dat ze eigenlijk geen enkel idee hadden van hoe het werkelijk allemaal in elkaar zit. Niet dat wij er intussen alles van weten, maar kosmologie is toch echt een precisiewetenschap geworden. De ontdekking van de kosmische achtergrondstraling in 1964 is hierbij echt wel een kantelpunt. Eindelijk vinden wetenschappers sporen die onlosmakelijk met de oerknal verbonden zijn, eindelijk is er bewijs dat de theorie van een uit de oerknal voortkomend en verder evoluerend heelal correct is en dat het statische heelal van Fred Hoyle met zijn ‘steady state’ in de prullenbak mag.

De technologische vooruitgang in de jaren 1970 en 1980 maakte het mogelijk om met alsmaar betere telescopen steeds verder weg in de ruimte en meer terug in de tijd te kijken. Maar die betere waarnemingen deden vragen rijzen naar hoe de waargenomen structuren zich hadden kunnen vormen op basis van de berekende materie in het heelal. En dat bleek een probleem te zijn. Tenzij er meer materie was dan wat met de waarnemingsinstrumenten kon waargenomen worden, en dat werd dan donkere materie genoemd. Het impliceren dat donkere materie mee vormbepalend is voor melkwegstelsels is in die periode een nieuwe essentiële doorbraak in de kosmologie. Zonder donkere materie kun je niet verklaren waarom het nabije heelal gestructureerd is zoals het dat is op grote schaal. In de jaren 1980 en 1990 konden astronomen met hun computers allerlei numerieke simulaties uitvoeren die, uitgaande van het bestaan van donkere materie, steeds nauwer aansloten bij de waarnemingsdata. Zo had men al een vrij goed idee van hoeveel donkere materie er globaal moest zijn in het heelal zonder een goed idee te hebben van wat die donkere materie eigenlijk zou kunnen zijn.

Het oerknalmodel was intussen wel algemeen aanvaard in wetenschappelijke kringen, maar er waren toch nog een aantal problemen met dat model zoals het horizonprobleem. We zouden verwachten dat de temperatuur en de dichtheid erg uiteenlopen van de ene kant van het heelal tot de andere kant, maar dat is niet zo: als we in alle mogelijke richtingen in het heelal kijken valt op dat het er overal hetzelfde uitziet en zeer uniform is. In 1981 lanceerde Alan Guth een theorie die dit en nog een aantal andere gerelateerde problemen kon oplossen, de zogenaamde inflatietheorie. Daarin stelde hij dat het heelal meteen na de oerknal gedurende 10−35 seconde een fase van exponentiële uitbreiding heeft doorgemaakt. In die periode zou het tussen 1030 en 10100 keer zo groot zijn geworden.

Maar er bleef wel een belangrijk probleem over, dat van de geometrie van het heelal. Op basis van de inflatietheorie zou je verwachten dat het heelal vlak zou zijn, maar dat impliceert een bepaalde dichtheid, en die dichtheid werd niet waargenomen. Zelfs met de donkere materie erbij kom je in totaal aan dertig procent van hetgeen nodig is om een vlak heelal te krijgen en dat is nog een heel eind verwijderd van honderd procent.

Een volgende belangrijke doorbraak in het kosmologisch onderzoek was in 1998 de ontdekking dat het heelal versnellend aan het uitdijen is. Dat gebeurde door het waarnemen van supernovae die verder weg stonden dan op basis van de vooropgestelde uitdijing van het heelal verwacht werd. Misschien waren er hier en daar nog twijfels over de nieuwe stelling van een versneld uitdijend universum, maar toen op basis van nauwkeuriger metingen van de kosmische achtergrondstraling door het project BOOMERanG in 2000 de geometrie van het heelal effectief vlak bleek te zijn, vielen alle puzzelstukjes netjes op hun plaats: de zeventig procent inhoud van het heelal die men eerder te kort kwam, werd donkere energie genoemd en is als een soort anti-zwaartekracht verantwoordelijk voor de versnelling in de uitdijing van het heelal.

Het is eigenlijk verbazingwekkend als je ziet hoe snel deze idee door de wetenschappelijke wereld volledig geaccepteerd is. Maar het is dan ook een enorm consistent verhaal dat de voorbije jaren nog een sterke bevestiging kreeg toen de waarnemingen van de kosmische achtergrondstraling door middel van de Planck-satelliet gepubliceerd werden.

Dat neemt niet weg dat we momenteel voor donkere energie gewoon nog geen goede verklaring hebben. We zijn ervan overtuigd dat er iets moet zijn dat de waargenomen verschijnselen veroorzaakt maar wat het op een fundamenteel natuurkundig niveau zou zijn is voorlopig nog problematisch.

 

Hoe zit het intussen met theorieën die contesteren dat er überhaupt donkere materie zou bestaan?

Toen ik nog in Groningen actief was, waren we daar ook wel mee bezig. Voor MOND, de theorie van de 'Modified Newtonian Dynamics', kwam het voornaamste argument i.v.m. de juistheid van hun theorie uit de rotatiekrommes van sterren in de buitendelen van melkwegstelsels. Volgens de klassieke mechanica van Newton blijken die sterren veel te snel te bewegen. In die context eind de jaren 1980 leek dat wel te werken, maar sinds de jaren 1990 zijn de metingen flink verbeterd en wordt het lastiger om MOND als een volwaardig alternatief te handhaven. De kosmische achtergrondstraling is zoveel beter gekend dan in het begin, je hebt zwaartekrachtslenzen, en er zijn zoveel meer metingen dat het wel heel moeilijk geworden is om al die gegevens te kunnen verklaren als er geen donkere materie zou zijn.

Wetenschappers die nu nog onderzoek doen naar alternatieve theorieën proberen modellen te ontwerpen waarbij je een versnelde uitdijing van het universum zou kunnen krijgen zonder donkere energie maar door een verandering van de zwaartekrachtswetten. Maar dat is allemaal sneller bedacht dan berekend. In het zonnestelsel kunnen we alles vrij goed meten, berekenen en voorspellen, maar als we het op grotere schaal willen bekijken wordt het al gauw allemaal veel complexer. Iemand zoals Erik Verlinde heeft zeker wel interessante ideeën, waarbij hij er ook van uitgaat dat donkere materie niet nodig is om tot een werkend heelal te komen. Maar ik vind het wel storend dat die theorieën meestal niet heel grondig zijn uitgewerkt. Als je opwerpt dat er waarnemingen zijn die niet stroken met hun voorstellen krijg je te horen dat net die dingen nog moeten uitgerekend en uitgeklaard worden. Het is dan ook moeilijk om die alternatieven te vergelijken met een theorie die wel heel goed bestudeerd is en allerlei tests om de waarachtigheid ervan te toetsen met glans heeft doorstaan. Die gangbare theorie wordt het Lambda CDM-model genoemd, waarbij de Griekse letter Lambda staat voor de afstotende kracht die ook met de kosmologische constante van Einstein in verband wordt gebracht, en CDM staat voor 'cold dark matter'. Bij MOND levert men kritiek op het Lambda CDM-model omdat er met dat model te veel donkere materie in het centrum van melkwegstelsels zou terechtkomen en te veel gewone materie zou weggeblazen worden. Dat is misschien een terecht punt van kritiek, maar met hun eigen theorie zijn ze er nog nooit in geslaagd om zelfs maar een melkwegstelsel te vormen. Het Lambda CDM-model kan inderdaad nog geen antwoord geven op de vragen wat donkere materie en wat donkere energie precies is, maar anderzijds geeft het een uitstekende beschrijving van hoe het universum werkt. Uiteindelijk hopen we de openstaande vragen met behulp van nog betere waarnemingsinstrumenten en meettechnieken toch te kunnen beantwoorden.

 

Intussen blijft men via allerlei pistes inderdaad ijverig zoeken naar donkere materie. Er is IceCube op de Zuidpool, de LHC in Genève, het bizarre gedrag van dwergelliptische sterrenstelsels, enzovoort. Denkt u dat deze zoektocht binnen afzienbare tijd tot succes zal leiden?

Een interessant project in de ruimte in dit verband had de Japanse röntgensatelliet Hitomi kunnen zijn. Die werd half februari van dit jaar gelanceerd, maar spijtig genoeg ging de satelliet door een aantal technische problemen al na een maand verloren. Dat is erg jammer, want het was net de bedoeling om met dit instrument te speuren naar röntgenstraling die afkomstig zou zijn uit het verval van donkere materiedeeltjes.

Het hangt natuurlijk in grote mate af van de aard van donkere materie, men speculeert dat het zou kunnen gaan om koude dan wel warme of hete deeltjes. Persoonlijk verwacht ik het meest van experimenten waarbij het gaat om directe detectie van de gezochte deeltjes, dit in tegenstelling tot de experimenten die indirect zoeken naar donkere materiedeeltjes via hun vervalproducten. Je hebt bv. in Canada het SNOLAB in een ondergrondse mijn, dat is een laboratorium dat twee kilometer diep zit en zo goed als geen last heeft van achtergrondstraling en kosmische straling. Donkere materie heeft geen enkele interactie met de gewone materie en passeert dus gewoon door de Aarde. In SNOLAB gaan we in de daar aanwezige detectoren met slimme technieken op zoek naar sporen van donkere materiedeeltjes.

Bovendien worden de experimenten steeds beter, want we beginnen meer en meer zicht te krijgen in welk energiegebied we moeten zoeken. Het zou me niet verbazen als we in de komende vijf à tien jaar tot resultaten zouden komen. De Large Hadron Collider van het CERN in Genève die je net vermeldde zit zeker ook aardig in de buurt.

De studie van dwergstelsels is zeer zeker interessant om zicht te krijgen op de verdeling van donkere materie en gewone materie in melkwegstelsels, maar om echt iets te weten te komen over de aard van die onbekende deeltjes zou ik de hoop toch vooral vestigen op experimentele opstellingen op Aarde.

 

Een kleine prognose: wat ontdekken we eerst? Donkere materie of sporen van buitenaards leven?

Ik verwacht dat we eerder donkere materie zullen detecteren dan buitenaards leven. Maar het gaat in het sterrenkundig onderzoek in ieder geval wel lekker snel vooruit, met dank aan de technologische vooruitgang. En te bedenken dat de James Webb Space Telescope nog moet gelanceerd worden en dat men net begonnen is met de bouw van de European Extremely Large Telescope in Chili. Er staan ons op dat vlak nog mooie tijden te wachten, dat is zeker.

In 1995 werd voor het eerst een planeet bij een andere ster ontdekt, en intussen zijn er al meer dan tweeduizend exoplaneten gekend. Een volgende stap die eraan komt is het detecteren van atmosferen bij die exoplaneten. En dan moeten we een nieuwe generatie instrumenten ontwikkelen die in staat zijn om atmosferen te analyseren op zoek naar sporen die kunnen wijzen op de aanwezigheid van leven op de planeten in kwestie.

 

In de kosmologie hoor je meer en meer spreken over het multiversum. Dat lijkt me een boeiend idee, maar hoe zou men dat wetenschappelijk kunnen onderbouwen?

Dat is inderdaad steeds het moeilijke maar meteen ook het boeiende aspect van dat soort zaken. Zoals ik eerder zei: de ontdekking van de kosmische achtergrondstraling betekende voor de kosmologie de overstap van wat ik zou noemen metafysica naar harde wetenschap. Momenteel zitten we met het idee van een donkere energie als essentieel ingrediënt van het heelal, maar het probleem is dat we niet goed weten wat we ons daar concreet moeten bij voorstellen. De eenvoudigste verklaring zou zijn dat het een kosmologische constante is want dan hebben we geen nieuwe natuurkunde nodig. We stellen vast dat de waarde van Lambda, de kosmologische constante die wij in ons heelalmodel hanteren, extreem klein is, namelijk 10−52 m−2. Wat we daarover beweren is direct gelinkt aan het idee over inflatie, waarbij het heelal spontaan ontstaat en dan in extreem korte tijd vlak na de oerknal extreem geëxpandeerd is. Wij stellen vast dat het heelal 13,8 miljard jaar oud is en we zien de geometrie ervan, op basis van die vaststellingen mogen we concluderen dat de kosmologische constante klein moet zijn. Immers, als het heelal heel jong is en je hebt een grote kosmologische constante – en groot betekent dan een factor tien groter dan de huidige waarde die zo heel klein is, kun je geen structuren meer vormen: ofwel stort alles enorm snel in als de waarde negatief is, ofwel dijt alles enorm snel uit als de waarde positief is. Nu kan je in dit verband het zogenaamde antropisch principe poneren waarin gesteld wordt dat het feit dat wij hier zijn om het heelal waar te nemen niet los kan gezien worden van de waarde van de kosmologische constante: die moet wel klein zijn, anders waren wij er simpelweg niet geweest. Dat blijft natuurlijk wel een beetje een cirkelredenering, tenzij je zegt: misschien zijn er wel heel veel verschillende heelallen, en dan zou het niet zo gek zijn dat er ook eentje bestaat waarin leven zoals het onze kan ontstaan. En dan heb je inderdaad een multiversum.

Maar het idee waarop dit alles stoelt, is de inflatietheorie, dat is een elegante beschrijving voor het prille heelal die weliswaar heel aardig werkt en bv. het probleem van de kosmologische constante oplost, maar het is geen fundamentele theorie die onweerlegbaar is. Omdat de inflatietheorie zo goed werkt, is het een paradigma geworden in de hedendaagse kosmologie waarbij er nauwelijks nog onderzoek wordt gedaan naar alternatieven. Maar we dienen ons de vraag te stellen: werkt die theorie zo goed omdat het inderdaad de enig denkbare manier is om het uitdijend universum te kunnen verklaren, of is de theorie zo elegant dat men gewoonweg niet meer elders zoekt? Het blijft in ieder geval allemaal heel speculatief. Om echt zekerheid te krijgen hebben we een nieuwe fundamentele theorie nodig: de kwantumzwaartekracht. Eens we daarover beschikken, kunnen we wel zinvolle uitspraken doen over het al dan niet bestaan van een multiversum en over het feit of we de snaartheorie als de basis van onze natuurkunde mogen beschouwen. Maar tot die tijd is het heel erg lastig om daar sluitende uitspraken over te doen.

Op basis van de gegevens die Euclid ons zal bezorgen zouden we erin moeten slagen om metingen te doen aan de kosmologische constante. Indien de waarden die we daarbij vinden erg aansluiten bij de waarde ervan die we nu aannemen, zou dat toch als bewijs mogen beschouwd worden voor de geldigheid van de hele theorie hierover. Het zal hoe dan ook een hele karwei zijn om dat allemaal voor mekaar te krijgen.

 

Alleszins hartelijke dank, professor Hoekstra, voor uw interessante uitleg, en we hopen samen met u dat Euclid een succesvol project mag worden.