Moet dit serieus worden genomen? @volkskrant

Astronomen: het heelal is niet klonterig genoeg, het is als een gladgeklopt beslag (George van Hal, Ten eerste/de Volkskrant, 1-2-23)

Wankelt het menselijk begrip van de evolutie van het gehele heelal? Misschien wel, zo blijkt uit een gedetailleerde analyse die kosmologen maakten van de verdeling van alle materie in de ruimte. Ze publiceerden hun resultaten dinsdag in drie artikelen in het vakblad Physical Review D. Een internationaal team van ruim 150 astronomen constateert dat het heelal minder klonterig is dan zou moeten.

*Toe maar!

In de analyse knoopten ze de gegevens aan elkaar van twee grootschalige meetsessies (‘surveys’, in astronomenjargon) die al eerder werden afgerond: de ‘Dark Energy Survey’ en de ‘SPT-SZ’-survey.

Die tweede reeks bevat gegevens over de manier waarop de beelden van sterrenstelsels zijn vervormd tegen de tijd dat ze op aarde zichtbaar zijn, doordat de in de ruimte aanwezige materie het licht van die sterrenstelsels kneedt en buigt.

Het resultaat: alsof je de stelsels bekijkt in een lachspiegel. De eerste reeks bevat informatie over hoe iets soortgelijks gebeurt met de kosmische achtergrondstraling, de nagloed van de oerknal.

Uit al die gegevens kunnen astronomen afleiden hoe alle materie door het heelal verspreid zit. Het gaat daarbij niet alleen om gewone materie, waaruit alles bestaat dat we kunnen zien: sterren, planeten, kometen, dieren en mensen. Maar vooral ook om de nog veel talrijker aanwezige en onzichtbare ‘donkere materie’, die je alleen indirect kunt meten door de invloed van haar zwaartekracht.

‘Dit is een flinke stap voorwaarts’, oordeelt kosmoloog Rien van de Weijgaert van de Rijksuniversiteit Groningen, zelf niet bij het onderzoek betrokken. Hij roemt onder meer het feit dat met het aan elkaar knopen van de meetgegevens een aantal systematische fouten – afwijkingen veroorzaakt door de gebruikte instrumenten, bijvoorbeeld – zijn gecorrigeerd. ‘Daardoor is dit de meest accurate kaart van de materieverdeling in het heelal tot nog toe’, zegt hij.

Belangrijkste conclusie is dat de structuur van het heelal eigenlijk te ‘glad’ is . Kort na de oerknal doken hele kleine verschillen van dichtheid op in het zeer jonge heelal. ‘Die kleine verschillen zijn in de afgelopen 13,8 miljard jaar – de huidige leeftijd van het heelal – dankzij de zwaartekracht uitgegroeid tot de materieverdeling zoals je die nu meet’, zegt Van de Weijgaert.

Maar die verdeling is dus niet zo klonterig als je zou verwachten op basis van de bestaande theorieën. Alsof je beslag mengt dat je met minder kracht dan verwacht glad hebt gekregen. ‘Er is duidelijk iets niet in orde’, zegt hij. Mogelijk kloppen de modellen die kosmologen gebruiken voor de evolutie van het heelal niet. Ook kan het zijn dat fysici de zwaartekracht bij nader inzien niet zo goed snappen.

Maar Van de Weijgaert denkt niet dat we zo drastisch bestaande theorieën overboord hoeven te gooien. ‘Dit is natuurlijk maar de mening van één kosmoloog, maar ik vermoed dat we slechts de structuur in het lokale heelal wat minder goed doorgrond en begrepen hebben dan we denken.’

https://krant.volkskrant.nl/titles/volkskrant/7929/publications/1786/articles/1760436/2/2

Alweer bewijs dat astronomie volledig in 3D denkt, zoals uit artikel van vandaag blijkt

Het zonnestelsel lijkt een toonbeeld van orde, maar chaos regeert. Botsingen tussen planeten zijn niet uit te sluiten. 

Door Joep Engels, Trouw– 17:15, 20 april 2019

Wie geïnteresseerd is in de inzichten van de hemelbewegingen”, schreef de Franse wiskundige Henri Poincaré in 1897, “moet zich wel verbazen als hij ziet hoe vaak bewezen is dat het zonnestelsel stabiel is. Waren die oude bewijzen onvoldoende, of zijn die nieuwe nergens voor nodig?” Geen van beide, liet Poincaré zien. Hij bewees dat het zonnestelsel chaotisch is. Onvoorspelbaar. Maar alleen in wiskundige zin, voegde hij eraan toe. Andere, grotere krachten hielden volgens hem de planeten aan hun orde.

Ook dat is niet waar, betoogde Jacques Laskar deze week in Amsterdam. Tijdens een lezing voor de Koninklijke Akademie van Wetenschappen (KNAW) liet de astronoom, verbonden aan de Parijse sterrenwacht, zien dat het wiskundige bewijs van Poincaré wel degelijk praktische betekenis heeft. “Het zonnestelsel is niet stabiel. We kunnen niet verder dan zestig miljoen jaar vooruitkijken. Daarna zijn botsingen tussen planeten niet uitgesloten.”

Ooit waren die hemelbewegingen een toonbeeld van harmonie. Copernicus had de zon in het midden geplaatst, waarna Isaac Newton in ‘Principia’, zijn hoofdwerk, had aangetoond dat de planeten er volgens eenvoudige wetten omheen draaiden. Als een hemels uurwerk. Nergens anders ter wereld is dat zo mooi in beeld gebracht als in Franeker, in het planetarium van Eise Eisinga, waar de planeten inderdaad hun rondjes draaien, aangedreven door een uurwerk.

Niet goed

Maar Newton zag al meteen dat het niet helemaal goed was. Zijn wetten beschreven perfect hoe de zon en een planeet elkaar aantrekken en hoe dat resulteert in een ellipsbaan van die laatste om de eerste. Maar in een stelsel met twee planeten ging het al mis. Dan kon je uit de vergelijkingen geen oplossingen meer afleiden. In de tijd van Newton telde het zonnestelsel zes planeten.

In een later boek – ‘Opticks’, over licht – kwam hij op dit zogeheten drielichamenprobleem terug. Door de onderlinge krachten tussen planeten treden onregelmatigheden op, schreef hij, en de enige oplossing die hij zag, was dat de Schepper zo nu en dan terugkeerde om met hulp van een komeet de orde te herstellen. Zijn grote rivaal uit die tijd, de Duitse wiskundige Gottfried Leibniz, verbaasde zich over deze noodgreep. “Wat een vreemd idee heeft de heer Newton over de Schepper”, schreef Leibniz aan zijn leerling, prinses Caroline van Wales. “Dit is geen eeuwigdurende beweging, maar een imperfecte machine. Die God van Newton is een klungelige horlogemaker.”

Niettemin, die onregelmatigheden waren er wel degelijk. Saturnus bewoog zich langzaam van de zon af, terwijl Jupiter juist de andere kant opschoof. De astronoom Edmond Halley (die van de komeet) had een tabel opgesteld met correctiefactoren voor de banen van de twee planeten. Daar viel mee te werken, maar het zat de wetenschappelijke gemeenschap niet lekker.

Prijsvraag

Halverwege de achttiende eeuw, twintig jaar na Newtons dood, loofde de Parijse Akademie van Wetenschap een prijs uit voor degene die een oplossing bedacht voor de onregelmatigheden. En een antwoord op de vraag: is het zonnestelsel stabiel? “Zoals we nu beurzen hebben voor onderzoek”, vertelde Laskar, “zo loofde men toen prijzen uit om een probleem op te lossen. De knapste knoppen stortten zich erop.” En de allergrootste uit die tijd, de Zwitserse wiskundige Leonhard Euler, won. Laskar: “Hij won zelfs twee keer, in 1748 en 1752. Wat merkwaardig is. Kennelijk was zijn oplossing uit 1748 niet goed.”

Maar die van 1752 ook niet, ook al introduceerde Euler belangrijke vernieuwingen voor dit soort rekenwerk, de storingsrekening. Diverse andere grootheden beten hun tanden stuk op het probleem, totdat Pierre-Simon Laplace eind achttiende eeuw liet zien dat er helemaal geen probleem was. Alle waargenomen onregelmatigheden kon de Fransman met Newtons wetten verklaren. Hij had geen storingstermen nodig en het zonnestelsel was stabiel.

Laplace formuleerde het zo: “Een intelligente geest die op elk gegeven ogenblik al de krachten zou kennen die de natuur doen leven en de onderlinge posities van de dingen waaruit deze bestaat, als

deze intelligente geest groot zou zijn (…) zou voor hem niets onzeker zijn en zowel de toekomst als het verleden zou hem voor ogen staan.”

Hij legde hiermee de basis voor een deterministisch wereldbeeld, een beeld van de kosmos als één ingewikkeld uurwerk, dat niet alleen tot uiting komt in het Planetarium van Eise Einsinga, maar ook het huidige denken nog beïnvloedt. Laplace was in die tijd hofastronoom van Napoleon en de gelovige keizer miste een goddelijke invloed. “Sire”, luidt het beroemde antwoord dat sterrenkundige zou hebben gegeven, “die hypothese heb ik niet nodig.”

Dat laat onverlet dat er nog steeds geen oplossing was voor het drielichamenprobleem – een zon en twee planeten. Opnieuw moest er een prijsvraag aan te pas komen, ditmaal in 1887 uitgeschreven door koning Oscar II van Zweden. Nu was eerder genoemde Poincaré de winnaar. Hij had het probleem alleen niet opgelost, hij liet zien dat het veel ingewikkelder was dan gedacht. “De oplossing is zo complex”, schreef Poincaré, “dat ik niet eens een poging waag om het in een tekening weer te geven.”

Biljartbal

Hij had laten zien dat een mogelijke oplossing van het probleem zeer gevoelig was voor de beginvoorwaarden. Voor de meeste vraagstukken uit de mechanica maakt het niet zo uit wat de beginposities zijn. Als een biljartbal een klein beetje wordt verplaatst, pakt ook de botsing met een andere bal niet veel anders uit. Maar in het drielichamenprobleem kan zo’n klein verschil grote gevolgen hebben.

Poincaré legde hiermee de basis voor de chaostheorie, die nu vooral bekend is uit de meteorologie. Ook in weermodellen kunnen kleine verschillen in de beginpositie enorm uitvergroten. Het beroemde vlindereffect: een vlinder die in Brazilië met zijn vleugels fladdert, kan maanden later in Texas een tornado veroorzaken. Daarom kijkt het KNMI in zijn verwachtingen niet verder dan twee weken vooruit.

Door datzelfde effect is het in een zonnestelsel onvoorspelbaar waar de planeten zich na verloop van tijd zullen bevinden. Maar zoals gezegd, de wiskunde bracht Poincaré niet van zijn geloof dat het zonnestelsel stabiel moest zijn. Andere krachten, zoals de getijdenkrachten, waren volgens hem zo groot dat de onvoorspelbaarheid van het zonnestelsel binnen bepaalde grenzen bleef.

In 1954 leverden wiskundigen het bewijs dat Poincaré gelijk had. Een bewijs dat in 1962 nogmaals werd geleverd: als de massa’s van de planeten maar klein genoeg waren ten opzichte van de massa van de zon – wat immers zo was – dan bleven de onregelmatigheden binnen de perken. Een jaar later werd dit bewijs alsnog onderuit gehaald. Het klopt wel, liet Michel Hénon zien, maar alleen als dat ‘klein genoeg’ betekende dat planeten lichter waren dan een atoom.

Maar ook het bewijs van Hénon deed het geloof in een stabiel zonnestelsel niet wankelen, vertelde Laskar dinsdagavond. “In 1988 was er nog een astronomencongres over het zonnestelsel. In het verslag valt te lezen dat het stelsel ‘vermoedelijk stabiel is’. In ieder geval als je het over zijn levensduur zou bekijken.”

Nauwkeurigheid

Laskar besefte toen al dat de enige uitweg uit dit probleem een numerieke oplossing was. Laat een computer oplossingen genereren die de werkelijkheid zo dicht mogelijk benaderen, en onderzoek hoe gevoelig die oplossingen zijn voor kleine variaties in de beginvoorwaarden.

Destijds waren computers nog niet krachtig genoeg, maar tien jaar geleden lukte het hem voor het eerst wel. “Uit die berekeningen bleek dat het zonnestelsel chaotisch is. En dat je elke tien miljoen jaar een decimaal aan nauwkeurigheid verliest. Als je in het begin op tien meter nauwkeurig weet waar een planeet zich bevindt, en je laat je model tien miljoen jaar vooruit rekenen, dan is de nauwkeurigheid honderd meter. Na twintig miljoen jaar is de range duizend meter. Na zestig miljoen jaar heb je geen idee meer waar de planeet zich zou kunnen bevinden.”

Wil je er toch iets over kunnen zeggen, betoogde Laskar, dan moet je er statistiek op loslaten. Net zoals het KNMI zijn zogeheten weerpluimen genereert. De meteorologen leggen de huidige toestand van de atmosfeer vast – temperatuur, luchtdruk, luchtvochtigheid – en laten hun computers bijvoorbeeld vijftig keer veertien dagen vooruit rekenen, waarbij ze bij elke run de beginvoorwaarden iets veranderd hebben. Dat geeft niet alleen een weersverwachting, de variatie in de runs zegt ook iets over de betrouwbaarheid ervan.

Op vergelijkbare wijze liet Laskar zijn computer 2500 runs maken die allemaal een paar miljard jaar vooruitblikten. Daarbij lette hij niet op de positie van de planeten maar op de vorm van hun banen. Soms is dat bijna een cirkel, dan weer een langgerekte ellips. Zo langgerekt soms dat hij de baan van een andere planeet kruist. Laskar: Na één miljard jaar was de baan van Mercurius soms zo excentrisch dat een botsing met Venus mogelijk werd. Na drie miljard jaar zag de computer al tientallen botsingen. Veelal tussen een planeet en de zon, maar ook onderling. Er zaten ook botsingen tussen van de aarde met Mars en Venus. Dus is ons zonnestelsel stabiel? Nee.”

Conclusie luidt dus dat de aardse wetenschappers, logisch weliswaar, maar blijven hangen in de aardse fysica, aardse wetten van Newton en Kepler, die achter niet opgaan in de multidimensionale werkelijkheid van ons universum. Alleen de aarde is nog 3D of liever gezegd, in 3D blijven hangen. Dat is alles.

https://krant.trouw.nl/titles/trouw/8321/publications/617/pages/50

Het multiversum: pure sciencefiction of heel wetenschappelijk verantwoord?

Caroline Kraaijvanger, Scientias, 24-2-18

Hoe een wild idee uitgroeide tot een mogelijk oplossing voor het grootste natuurkundige probleem dat we kennen.

Met name sci-fi-schrijvers zijn er dol op: het multiversum. Maar wie denkt dat dit wilde idee enkel het domein van fantasten is, heeft het mis. De laatste decennia duikt de term ‘multiversum’ namelijk ook steeds vaker op in wetenschappelijke papers, geschreven door heel respectabele wetenschappers. En in veel van die papers wordt het idee van een multiversum niet keihard onderuit geschoffeld, maar verder afgetast en niet zelden omarmd. “Er zijn veel wetenschappers die denken dat het multiversum bestaat,” vertelt professor Daniel Baumann, verbonden aan de Faculteit der Natuurwetenschappen, Wiskunde en Informatica van de Universiteit van Amsterdam.

Wat is het multiversum?
Voor we ons verder in hun redeneringen verdiepen, is het goed om helder te krijgen wat we nu eigenlijk onder een multiversum moeten verstaan. “Je hebt het universum en dat werd lang gedefinieerd als: alles.” Maar met de opkomst van het idee van het multiversum was die definitie duidelijk niet afdoende. “Daarom definiëren we het universum nu als alles wat we kunnen zien. Er wordt dan ook wel gesproken van het waarneembare universum. Het multiversum is dan eigenlijk ook niets anders dan een verzameling van meerdere van die waarneembare universa die overigens helemaal losstaan van elkaar.”

De kosmologische constante en snaartheorie
Dat ons universum niet het enige universum is, is geen nieuw idee. Maar pas sinds een paar decennia zijn ook respectabele onderzoekers bereid gebleken om dat idee enigszins serieus te nemen. Het is volgens Baumann te herleiden naar een aantal schokkende ontdekkingen en theorieën die in de tweede helft van de vorige eeuw gepresenteerd werden:
– Het begint met de kosmische inflatie-theorie die volgens sommigen onomstotelijk leidt tot het ontstaan van een multiversum. Volgens de kosmische inflatie-theorie zou het heelal kort na de oerknal een fase hebben doorgemaakt waarin het in zeer korte tijd – een fractie van een seconde – zeker quintiljoenen (dat is een 1 met 30 nullen) keren groter werd. In de loop van de tijd werden er tientallen modellen ontwikkeld die deze inflatie beschreven. En veel ervan voorspellen een ‘eeuwige inflatie’: oftewel een inflatie die nooit gestopt is. Dat is verrassend, want ons universum dijt nog wel uit, maar lang niet zo snel als kort na de oerknal. Hoe zit dat? Sommige onderzoekers stellen dat het te verklaren is doordat de ruimtetijd het ten tijde van de kosmische inflatie zwaar te verduren kreeg, waardoor bubbels in die ruimtetijd ontstonden. En elke van die bubbels herbergde een universum met zijn eigen natuurwetten (ook wel pocket universes genoemd). In sommige van die bubbels – zoals de onze – stopte de supersnelle uitdijing, in andere ging deze door. Ondertussen zou de inflatie ook tussen de bubbels doorzetten, waardoor deze letterlijk uiteengroeien en er tussen de bubbels ruimte ontstaat waarin continu nieuwe bubbels – en dus oneindig veel universa – kunnen ontstaan.

Kort na de oerknal vond de inflatie plaats: gedurende een fractie van een seconde groeide het universum enorm. Afbeelding: NASA / WMAP Science Team.

– Misschien wel de belangrijkste aanwijzing voor het bestaan van een multiversum is volgens Baumann echter de versnelde uitdijing van het waarneembare heelal. In 1998 ontdekten onderzoekers aan de hand van supernova’s dat het heelal versneld uitdijt. Dat was alleen te verklaren als er sprake was van een kosmologische constante: een onzichtbare energie in het heelal (we noemen deze nu: donkere energie) die afstotend werkt. Maar met die versnelde uitdijing en benodigde kosmologische constante werd een groot natuurkundig probleem geboren. Want experimenten wezen uit dat de kosmologische constante veel kleiner is dan de theorie voorspelt. Baumann noemt het het grootste probleem in de natuurkunde. “Als dit probleem er niet was, zou ik zeggen dat we niet eens over het multiversum hoeven te praten. Maar het multiversum lost dit probleem op.”

“ALS ER VERSCHILLENDE NIET MET ELKAAR IN VERBINDING STAANDE UNIVERSA ZIJN, VERTELT SNAARTHEORIE ONS DAT ZE HEEL VERSCHILLENDE EIGENSCHAPPEN ZOUDEN KUNNEN HEBBEN”
– Om dat te begrijpen, moeten we een sprongetje maken naar de derde en laatste theorie: de snaartheorie. Volgens deze theorie is materie, maar ook energie opgebouwd uit snaren. De theorie heeft echter één grote beperking: hij vereist minstens tien dimensies en wij kennen er maar vier. Sommige onderzoekers vermoeden dan ook dat de ‘missende dimensies’ niet waarneembaar zijn, doordat ze heel compact ‘opgerold’ zijn. Maar – nu komt het – om die extra dimensies onwaarneembaar klein te houden, moet je energie toevoegen. En de energie die in die extra dimensies zit opgeslagen, draagt bij aan de kosmologische constante. Daarnaast zijn er tal van manieren waarop je die extra dimensies kunt oprollen en elke manier resulteert in een compleet andere set natuurwetten. “Als er verschillende niet met elkaar in verbinding staande universa zijn, vertelt snaartheorie ons dat ze heel verschillende eigenschappen zouden kunnen hebben,” aldus Baumann. En ook de kosmologische constante in elk van die universa kan dus net weer ietsje anders zijn. Dat we in ons heelal zo’n kleine kosmologische constante meten, is volgens sommige onderzoekers dan ook vooral een kwestie van geluk hebben. Want met een kosmologische constante die net iets groter is, zouden deeltjes niet eens de kans krijgen om zich aan elkaar te binden, laat staan dat er sterren, planeten en uiteindelijk leven kan ontstaan. “We leven waar we kunnen leven,” zo vat Baumann die theorie samen.

Op zoek naar bewijs
En daarmee lijkt het idee van het multiversum het rijk der fabelen te zijn ontgroeid. Maar bewezen is het nog niet. Wat ons natuurlijk bij de vraag brengt of dat überhaupt ooit mogelijk is. Volgens Baumann hebben verschillende onderzoekers zich daar reeds het hoofd over gebroken, maar tot een overtuigend antwoord kwamen ze niet. Veelal wordt voorgesteld op zoek te gaan naar sporen van botsingen tussen pocket universes. Kort na hun ontstaan moeten die bubbels immers vrij dicht bij elkaar hebben gezeten en het lijkt niet onaannemelijk dat het wel eens tot botsingen is gekomen. “Je kunt het vergelijken met wanneer je water kookt: het water zet snel uit en er ontstaan bubbels die botsen.” Dergelijke botsingen kunnen in het geval van de pocket universes hun sporen na hebben gelaten in wat onderzoekers de kosmische achtergrondstraling noemen: warmtestraling die kort na de oerknal is uitgezonden. De afgelopen decennia is deze kosmische achtergrondstraling met behulp van verschillende instrumenten onderzocht en daarbij is natuurlijk ook gezocht naar sporen van botsingen met andere universa. “Maar er is niets gevonden,” vertelt Baumann. Echt verrassend is dat wellicht niet. Baumann wijst erop dat een botsing tussen twee pocket universes al snel resulteert in de ondergang van beiden. “Dus het is nog niet zo gemakkelijk voor twee universa om elkaar aan te raken zonder dat ze elkaar vernietigen.”

Nachtmerrie
Bewijs voor het bestaan van het universum is dus lastig te verkrijgen. En dat is ook de reden dat Baumann er niet enthousiast over is. “Ik vind het niks. Het is lastig om dingen die we niet kunnen zien te toetsen, te definiëren en te voorspellen.” Maar dat is wel waar de natuurkunde om draait: “Beschrijven wat we zien, wat we kunnen manipuleren en aanraken.” Met andere universa gaat dat niet (zie kader). “Maar tegelijkertijd kan ik ook niet ontkennen dat het multiversum bestaat,” stelt Baumann. In die zin zou je het multiversum de nachtmerrie van elke natuurkundige kunnen noemen.

Hier wordt het letterlijke 3D-denken weergegeven: zien, manipuleren en aanraken.

In science-fictionfilms die het multiversum als een voldongen feit presenteren, zie je regelmatig dat mensen van het ene naar het andere universum reizen. Zou dat mogelijk zijn in het multiversum waar de verschillende wetenschappelijke theorieën voorzichtig op hinten? “In eerste instantie zou ik zeggen van niet, omdat de bubbels niet met elkaar in verbinding staan en omdat we niet verder kunnen reizen dan we kunnen zien (oftewel niet sneller kunnen reizen dan het licht, wat wel nodig zou zijn om het waarneembare universum te kunnen verlaten, red.).” Dat gezegd hebbende, wil Baumann er wel direct een kanttekening bij plaatsen. Want hoewel de algemene relativiteitstheorie stelt dat we niet sneller kunnen reizen dan het licht, is dat in theorie wel mogelijk, namelijk middels een wormgat. “Dat is volgens mij de enige optie om van het ene naar het andere universum te reizen.” Maar wormgaten zijn tot op heden niet gevonden, dus afgaand op wat we nu kennen, blijft de conclusie dat we vastzitten in ons eigen universum.

En misschien is het idee van het multiversum ook wel meer een vloek dan een zegen. Het roept in ieder geval een interessante filosofische vraag op. “Is dit wetenschap? Kunnen we geloven dat iets echt is als we het nooit gezien hebben?” Je zou misschien denken van niet. Maar die conclusie zul je Baumann niet zo snel horen trekken. Hij onderbouwt dat door te verwijzen naar de quarks: elementaire deeltjes die we onmogelijk kunnen waarnemen, maar toch alom geaccepteerd zijn. “Er is een theorie (het Standaardmodel van de deeltjesfysica, red.) en die hebben we op alle mogelijke manieren getest en elke keer weer blijkt dat we de quarks nodig te hebben. En daarom geloven we dat ze bestaan, ook al is het onmogelijk om een vrije quark waar te nemen.” Op vergelijkbare manier zouden we – ook al kunnen we het niet zien – het multiversum kunnen omarmen. Sterker nog: het is misschien wel het beste waar we op mogen hopen. “Ik ben niet zo hoopvol dat we andere universa gaan observeren,” stelt Baumann. “Dus ik hoop dat we een theorie kunnen ontwikkelen waarvan verschillende aspecten getest kunnen worden en waaruit blijkt dat het multiversum een onvermijdelijke consequentie van inflatie en snaartheorie is.”

“HET MULTIVERSUM KAN ERVOOR ZORGEN DAT WETENSCHAPPERS TE SNEL OPGEVEN”
Zover zijn we echter nog lang niet. Op dit moment is het multiversum geen onvermijdelijke consequentie van allerhande theorieën, maar enkel een fraai passende oplossing voor een groot natuurkundig probleem. Baumann illustreert dat aan de hand van een voorbeeld. “De astronoom Johannes Kepler vroeg zich lang geleden af waarom de aarde zo ver van de zon staat. Hij probeerde daar een theorie voor te bedenken. Later zou blijken dat daar helemaal geen theorie voor ontwikkeld kan worden. Want toen we naar andere planetaire systemen gingen kijken, ontdekten we dat het toeval is: we leven hier, omdat we elders niet kunnen leven. Nu is de aarde geen fundamenteel concept in de natuur. De kosmologische constante is dat wel. En op dit moment zijn we geneigd die te verklaren, zoals we de afstand tussen de zon en de aarde verklaren: door er andere universa bij te halen en te concluderen dat we gewoon geluk hebben gehad met onze kleine kosmologische constante. En daarmee lijkt de puzzel opgelost.” Maar in tegenstelling tot de planetaire systemen uit het voorbeeldje van Johannes Kepler, kunnen we die andere universa niet waarnemen of aantonen dat hun bestaan – zoals dat van de quarks onvermijdelijk is – en dus hangt de oplossing van de puzzel van aannames aan elkaar. Wat ons terugbrengt bij de vraag van Baumann: “Is dit wetenschap?” Daar kun je in dit stadium over discussiëren. Maar één ding staat wel vast: het multiversum drukt wel een stempel op de wetenschap. Nu al. “Het ontmoedigt onderzoekers om echte oplossingen te vinden en kan ervoor zorgen dat ze te snel opgeven.” Niet alleen als het gaat om het multiversum, maar ook om andere lastig te verklaren problemen in de natuurkunde.

En zo blijft het multiversum naar verwachting nog wel even onderwerp van discussie. “Wetenschappers houden ervan of ze hebben er een hekel aan. Maar weinigen hebben er geen mening over. Het is een polariserend thema dat de manier waarop we wetenschap bedrijven kan herschrijven.”

Het multiversum: pure science-fiction of heel wetenschappelijk verantwoord?

Wanneer straalden de eerste sterren?

Wanneer straalden de eerste sterren in het heelal?

Astronomie

Het tijdstip waarop de eerste sterren in het heelal begonnen te stralen is gemeten: 180 miljoen jaar na de oerknal. Astronomen leidden het af aan veranderingen in de kosmische achtergrondstraling.

Eddy Echternach, nrc.nl, 3 maart 2018

De eerste sterren in het heelal begonnen 180 miljoen jaar na de oerknal te stralen. Tenminste, daarvoor dragen astronomen nu het eerste bewijs aan. Donderdag had Nature er twee artikelen over.

Het bewijs bestaat uit de detectie van een subtiel signaal in de zogeheten kosmische achtergrondstraling, de warmtestraling die bij de oerknal vrijkwam. Dat signaal houdt verband met veranderingen in het waterstofgas, het belangrijkste bestanddeel van de normale materie in het heelal. Op het moment dat de eerste sterren ontstonden bracht hun ultraviolette straling de waterstofatomen in een andere energietoestand. Hierdoor begon het waterstof de kosmische achtergrondstraling op een golflengte van 21 centimeter (een frequentie van 1420 megahertz) te absorberen. Het waterstofgas heeft op die manier een karakteristieke ‘vingerafdruk’ achtergelaten in het spectrum van de kosmische achtergrondstraling.

Een team van vijf wetenschappers van Arizona State University en het Massachusetts Institute of Technology, onder leiding van Judd Bowman, lijkt deze vingerafdruk – een brede ‘dip’ in het spectrum van de kosmische achtergrondstraling – nu daadwerkelijk te hebben gedetecteerd. Ze deden dat met een speciaal voor dit doel ontwikkelde, koelkastgrote radiotelescoop die in een afgelegen gebied in West-Australië staat opgesteld.

FM-zenders zijn verboden in een straal van 260 kilometer
De zoektocht naar die vingerafdruk van waterstofgas is al twaalf jaar aan de gang. Dat de detectie ervan zo lang op zich heeft laten wachten komt vooral doordat de frequentie van de radiostraling waarom het hier gaat binnen de FM-band ligt. En daar wemelt het van de aardse radiozenders. Niet voor niets staat het instrument dat voor de waarnemingen is gebruikt – het Experiment to Detect the Global EoR Signature, of kortweg EDGES – in een vrijwel onbewoonde omgeving. Binnen een straal van 260 kilometer zijn geen FM-zenders toegestaan.

Absorptiefrequentie
EDGES bestaat uit twee vrijwel identieke radio-ontvangers. Het zijn in feite heel nauwkeurig afstembare ‘radio’s’ die over het hele frequentiebereik dezelfde gevoeligheid hebben. De ene is gevoelig voor radiostraling van 100 tot 200 megahertz, de andere voor 50 tot 100 megahertz. Met de tweede is vanaf augustus 2015 het radiospectrum van vrijwel de complete zuidelijke hemel geregistreerd. Dat wil zeggen: voor alle frequenties tussen 50 en 100 megahertz is de intensiteit van de kosmische achtergrondstraling gemeten. Dat ze in dit bereik zochten en niet rond de oorspronkelijke absorptiefrequentie (1420 megahertz) heeft te maken met de uitdijing van het heelal. De onderzoekers verwachtten de ‘dip’ in de achtergrondstraling daardoor bij een veel lagere frequentie te vinden, onder de 200 megahertz. Dat bleek te kloppen: de dip zit tussen de 70 en 90 megahertz.

De astronomen concluderen dat de absorptie van de kosmische achtergrondstraling 180 miljoen jaar na de oerknal is begonnen en 100 miljoen jaar later eindigde. Het beginpunt geeft aan wanneer de eerste sterren in het heelal begonnen te stralen. 100 miljoen jaar later kwam er een einde aan de absorptie doordat de sterren het kosmische waterstofgas inmiddels hadden opgewarmd tot een temperatuur die boven de temperatuur van de kosmische achtergrondstraling lag. Het gevonden spectrum komt in grote lijnen overeen met wat theoretische modellen hadden voorspeld.

Toch steekt er iets: de gemeten absorptie van de achtergrondstraling is twee keer zo sterk als verwacht. Volgens de onderzoekers wijst dit erop dat het waterstofgas in het heelal aanvankelijk beduidend kouder was dan gedacht óf dat de temperatuur van de kosmische achtergrondstraling beduidend hoger was dan gedacht.

Donkere materie
De andere publicatie in Nature biedt een mogelijke verklaring voor het onverwacht sterke absorptiesignaal. De auteur ervan, Rennan Barkana van de universiteit van Tel Aviv, zoekt de oorzaak bij de donkere materie. Dat is de raadselachtige, niet waarneembare materie die 85 procent van alle massa in het heelal voor haar rekening neemt. Als de donkere materie bestaat uit vrij traag bewegende, ofwel koele, deeltjes die ook nog eens relatief weinig massa hebben, kan de waargenomen afkoeling van het kosmische waterstofgas volgens Barkana zijn veroorzaakt door interacties tussen donkere materiedeeltjes en waterstofatomen.

Maar volgens Leon Koopmans, hoogleraar astronomie en astrofysica aan de Rijksuniversiteit Groningen, is het nog te vroeg om allerlei grote conclusies aan het nu gepubliceerde resultaat te verbinden. „Als het waar is, is het een enorme knaller. Maar het zou me niet verbazen als het resultaat al voor het einde van dit jaar wordt ontkracht”, zegt hij.

Koopmans legt wat complicaties uit. Het ruwe spectrum zoals dat met EDGES is gemeten wordt bijvoorbeeld gedomineerd door een sterke ‘ruis’ van allerlei nabije bronnen van radiostraling, zoals ons eigen Melkwegstelsel en de ionosfeer van de aarde. „Deze ‘voorgrond’ moet van het gemeten signaal worden afgetrokken,” zegt Koopmans. „De keuze van het model dat je daarbij gebruikt is erg belangrijk. Bowman en zijn collega’s hebben aan veel dingen gedacht, zoals de absorptie die door de ionosfeer wordt veroorzaakt. Maar de ionosfeer buigt de straling van de hemel ook een beetje af en het effect daarvan is frequentie-afhankelijk. Tot mijn verbazing is daar niet voor gecorrigeerd. Daarmee nemen ze een enorm risico.”

Koopmans verwacht dat het nieuwe resultaat al in de loop van dit jaar kan worden bevestigd of ontkracht met SARAS 2, een Indiase radiospectrometer die in de Himalaya staat. Daar zijn nóg minder storingsbronnen dan in West-Australië. „Als het enorm sterke signaal dat door Bowman is gemeten wordt bevestigd, dan komt er een stroom aan publicaties op gang, met de meest uiteenlopende theorieën. Dat zou een enorme boost zijn voor deze tak van radioastronomie.”

Opstelling van radioschotels
In hun artikel pleiten Bowman en zijn collega’s ervoor het onderzoek van het radiospectrum van de kosmische achtergrondstraling te intensiveren. Ze kijken uit naar de Hydrogen Epoch of Reionization Array (HERA), een opstelling van radioschotels in Zuid-Afrika die binnen twee jaar operationeel moet zijn. In de wat verdere toekomst wordt veel verwacht van de Square Kilometre Array (SKA), die verspreid over Zuid-Afrika en Australië komt te staan.

Voor de al bestaande Nederlandse radiotelescoop LOFAR is er mogelijk nu al werk aan de winkel. Als het gemeten signaal inderdaad zo sterk is als nu wordt gezegd, denkt Koopmans dat LOFAR in staat moet zijn om de eveneens voorspelde fluctuaties in dat signaal te meten – iets wat EDGES niet kan. „We willen daar binnenkort een projectvoorstel over indienen,” zegt hij. „En LOFAR zal vast niet de enige zijn, want ik ga ervan uit dat concurrerende teams nu ook dit soort projecten gaan opzetten. Iedereen wil die fluctuaties als eerste meten.”

Dit artikel volgt op mijn vorige nrc-beschouwing van een week geleden. Die worden voortaan hier verzameld om het vergelijk mogelijk te maken tussen de academische astronomie versus de spirituele kosmologie.

https://www.nrc.nl/nieuws/2018/03/02/wanneer-straalden-de-eerste-sterren-in-het-heelal-a1594258