Hulspas weet het | Een lot uit de kosmische loterij

COLUMN - Zo’n anderhalf miljard euro heeft de eerste detectie van zwaartekrachtgolven gekost. En volgens vrijwel iedereen die er een mening over heeft, was elke euro daarvan welbesteed. Astronomen hebben nu een nieuw ‘venster op de kosmos’ (die metafoor kwam ontelbare malen voorbij) en kunnen nu nóg dieper doordringen in de Oerknal. En dat is dringend noodzakelijk.

Niet omdat zoiets nieuwe onverwachte praktische toepassingen gaat opleveren (uitvinders hebben de komende eeuw meer dan voldoende aan de ontdekkingen van de vorige eeuw), maar om een steeds nijpender probleem op te lossen. Nijpend voor astronomen – maar daarom niet minder dramatisch. Sinds een aantal jaren begrijpen ze namelijk niks meer van het heelal.

Twee onoplosbare problemen

Twee problemen blijken onoplosbaar. Ten eerste (in niet-chronologische volgorde) is daar het fenomeen dat de uitdijing van het heelal niet langzaam vertraagt, zoals je zou verwachten (ten gevolge van de aantrekkingskracht van de kosmos) maar juist versnelt. Iets ‘duwt’ de expansie naar grotere snelheden. Dat probleem is mathematisch snel op te lossen door een enorme dark energy in de vergelijking te stoppen die deze stuwkracht kan leveren. Simpel en mathematisch doeltreffend – maar in fysisch opzicht is zo’n ingreep natuurlijk heel lelijk.

Dan is er die massa zelf. Het probleem is bekend: we zien veel te weinig massa. De zwaartekracht van sterrenstelsels (gemeten aan de afbuiging van het licht), en tussen stelsels onderling (in melkwegstelselclusters) is veel groter dan we kunnen verklaren op basis van wat we zien (en daarnaast aan onzichtbare want niet stralende materie kunnen bedenken). Wat is dat voor verborgen materie?

Alle ordinaire kandidaten zijn inmiddels onderzocht en verworpen. Het gaat niet om stof, dwalende planeten, of gedoofde sterren want het probleem is al zichtbaar in de kosmische achtergrondstraling, die dateert uit een tijd (pakweg 380.000 jaar na de Big Bang) toen dat soort zaken nog niet bestonden. Dus zou het om elementaire deeltjes kunnen gaan. Een zee van deeltjes, overal aanwezig maar vrijwel nooit interagerend met gewone materie. (Want anders hadden we ze al opgemerkt).

WIMPS

Nu is er de theorie van de supersymmetrie (niet meer dan een theorie, nog geen enkele CERN-botsing heeft een bewijs ervoor opgeleverd) en die lijkt donkere-materie-kandidaten te kunnen bieden. Want volgens supersymmetrie moet er parallel aan elk normaal deeltjes een ander deeltje bestaan dat veelal erg zwaar is. Astronomen gingen de afgelopen jaren dan ook met frisse moed op zoek naar weakly interacting massive particles: kortweg wimps. Zonder succes.

De afgelopen twee maanden moesten drie onderzoeksteams (Large Underground Xenon in de VS, Panda X-II in China, en Xenon 100 in Italië) melden dat hun zoektocht naar wimps niks had opgeleverd. Die drie groepen gebruikten enorme tanks gevuld met het edelgas xenon. Als wimps bestaan, en door de tanks schieten, en een xenonkern raken, geeft deze een flitsje af. Maar ze hebben niks gezien. Er bestaan uiteraard plannen om deze xenon-detectoren flink uit te bouwen, maar de overtuiging ‘we vinden ze wel even’ is verdampt.

Lege trukendoos

Iets anders uit de toverdoos der kwantummechanica? Die is eigenlijk leeg. Axionen, wordt wel geroepen. Maar dat deeltje is nooit gezien en dermate klein, ongrijpbaar én curieus dat wetenschappers zich bijna schamen om te opperen dat het de oplossing kan zijn. Andere onderzoekers stellen voor om álle theorie los te laten, om de zoektocht níét te baseren op enige voorspelde eigenschap maar gewoon op zoek te gaan naar ‘iets’ met massa. Tasten in het duister, zogezegd.

En God is sarcastisch: ondertussen laat één bijkomend experiment, DAMA/LIBRA, in Gran Sasso, Italië, positieve resultaten zien die niemand kan herhalen. De Italianen zien flitsjes in natriumjodide kristallen. Maar niemand kan dat bevestigen. Iets Italiaans? Iets met aardbevingsactiviteit? Eigenlijk zou iedereen deze metingen willen negeren, maar men is zó wanhopig dat verschillende labs nu werken aan varianten op DAMA/LIBRA die een verificatie kunnen opleveren. Of nog steeds niet, natuurlijk. En zo ja, waarom laten de andere metingen niks zien?

Deep trouble

De astronomie zit met andere woorden diep in de problemen. Maar volgens sommigen kunnen zwaartekrachtgolven de oplossing bieden. Met nog veel meer miljarden euro’s te gaan, kunnen we straks een blik werpen véél verder terug in de tijd dan de achtergrondstraling. Dan kunnen we de ruimte-tijd voelen trillen onder het geweld van de versmeltingen van de allereerste zwarte gaten.

Wellicht ontdekken we dan dat het allervroegste heelal óók al veel te zwaar was, en worden we dus niks wijzer. Wellicht leveren de metingen nieuwe suggesties voor eigenschappen van de donkere materie, en kunnen we daarna met nieuwe moed gaan zoeken in het hier en nu. En wellicht zien we dan nog steeds niets. Miljarden verder maar niks wijzer. Gegokt, maar niks gewonnen.

Niet elk venster biedt nu eenmaal een interessant vergezicht.

  1. 1

    “om een steeds nijpender probleem op te lossen. Nijpend voor astronomen – maar daarom niet minder dramatisch. Sinds een aantal jaren begrijpen ze namelijk niks meer van het heelal.”
    Beetje dure therapie is dat.

  2. 4

    Leuk stukje.

    Het is een verontrustende trend: hoe verder onze kennis voortschrijdt over de bouwstenen van het heelal, hoe langer het duurt, hoe ingewikkelder en duurder het wordt om het verder te ontrafelen. Wat een eenling vroeger nodig had om Nobelprijswinnende ontdekkingen te doen is geëvolueerd tot Big Science met consortia van honderden instituten, decennia werk en honderden miljarden aan uitgaven om de benodigde machinerieën te bouwen. Het zal qua technologisch kunnen wellicht een Von Neuman-machine of een Borg vergen om dingen te ontdekken die op een niet zo heel veel hoger niveau liggen dan wat we nu weten met het standaardmodel.

  3. 5

    Die ongeziene massa wordt voor ons verborgen gehouden door verder ontwikkelde intelligenties in het universum. Die schijnbare versnelling is daar uiteraard een neveneffect van. Zijn die wetenschappers nou zo dom, of ben ik zo slim?

  4. 6

    @4: Zo lang duurt het nou ook weer niet.
    Het heeft ongeveer 2000 jaar geduurd eer duidelijk werd dat planeetbanen geen cirkels maar ellipsen zijn.
    En sindsdien is ontdekt
    – dat kometen ook rond de zon draaien
    – dat saturnus ringen heeft
    – veel planeten manen hebben
    – dat het heelal uitdijt
    – wat de samenstelling van de zon moet zijn
    – de achtergrondstraling

    Duurder is het waarschijnlijk wel, al waren de observatoria vroeger ook al behoorlijke bouwwerken.
    https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Uranienborg.jpg

  5. 7

    @6: Al die ontdekkingen hebben meer vragen opgeroepen dan ze hebben beantwoord. Bovendien heeft elk van die ontdekkingen ook steeds meer geld gekost (voor de ringen van Saturnus, ontdekt vlak na de elliptische banen, waren alleen wat geslepen glazen nodig, voor de laatste drie vrij recent beantwoorde vragen zijn miljoenvouden daarvan uitgegeven). En zo is dat ook met elke volgende vraag waar we een antwoord op vinden. Ergo #4 heeft gelijk, er zal steeds meer geld tegenaan gesmeten moeten worden om een zelfde fractie van de nieuw opgeworpen vragen te kunnen beantwoorden.

  6. 8

    @7: …er zal steeds meer geld tegenaan gesmeten moeten worden om een zelfde fractie van de nieuw opgeworpen vragen te kunnen beantwoorden.

    En dat blijven we doen. Niet omdat die antwoorden echt nodig zijn, maar omdat de spin-off veel te belangrijk is. CERN is onze – lees Europese – tegenhanger van de vlucht naar de maan, mars en verder.

    Het woord ‘smijten’ is een slechte keuze. Investeren is beter.

  7. 9

    Bismarck @7, dat klinkt logisch maar er is altijd een kans op een zgn Zwarte Zwaan in de vorm van een “eenvoudige” ontdekking met grote gevolgen.

    Voor mij is in de hele discussie hier de grote vraag wanneer een investering in fundamenteel onderzoek de moeite waard is. Ik zie moeilijke missies naar Mars, maar zie nauwelijks sociologisch-psychologisch onderzoek naar het “onware” karakter van onze politiek en maatschappij. Ik zie meer investeringen in klimaatonderzoek (problemen op termijn) dan naar biodiversiteitsonderzoek of landinrichting (problemen nu). Zijn de enorme investeringen in deeltjesversnellers of kosmische installaties wel op hun plaats? Gek genoeg is de belangrijkste les die ik van het CERN heb geleerd de kracht van samenwerking en overleg. Een les die de hele wereld zich zou kunnen aantrekken.

    Ik ben voor fundamenteel onderzoek, het levert ons inzichten op waarvan we niet kunnen bevroeden waarom ze belangrijk zijn. Het helpt ons nieuwe perspectieven te ontdekken. Nieuwsgierigheid is een enorm belangrijke drijfveer voor innovatie. Maar ik krijg wel het gevoel dat binnen fundamenteel onderzoek er onevenwichtige keuzes gemaakt worden voor wat betreft investeringen.

  8. 10

    @9: (en in vervolg op #8)

    Precies. Wat ik in #8 ook zei.

    Vooral dat overleg en het internationale karakter maakt van CERN meer dan een natuurkundig instituut (volg die link!).

    Het onderzoek is de tegenhanger van het ruimteonderzoek, het is de wetenschappelijke verenigde naties.

    Natuurkundige, technische, economische, politieke en sociale spinoff. Riep iemand dat die fysici autistische eigenheimers waren?

  9. 11

    Ha Hans, we zaten tegelijk onze reactie te tikken :). Meta-fysica?
    Overigens was er een jaar terug een leuk artikel over de bedrijfscultuur van het CERN. Ik kan het niet meer vinden, de essentie was dat eindeloos vergaderen daar juist wel nuttig blijk te zijn.

  10. 14

    @8 en @9: Er zal toch een moment komen waarop zowel jullie als ik het geld (en de energie! CERN vreet meer elektriciteit dan menig Afrikaans land) smijten zullen vinden voor de progressie die nog gemaakt wordt. Als het straks om tientallen miljarden gaat, met doorbraken die ongeveer een hele wetenschappelijke carrière op zich laten wachten, piepen we wel anders. Het zou mij niet verbazen als er nu al velen met de vraag zitten waarom die natuurkundigen niet bezig zijn met het ontwikkelen van praktisch toepasbare kernfusie (waarvan al meer dan een halve eeuw beloofd wordt dat ie er binnen 30 jaar zal zijn), of andere zaken die toch wat directer gekoppeld zijn aan de problemen waar de mensheid mee kampt.

  11. 17

    >Miljarden euro’s verder
    >Dan kunnen we de ruimte-tijd voelen trillen onder het geweld van de versmeltingen van de allereerste zwarte gaten.

    In 2018 komt een groot IR-waarnemingsstation in de lucht, hij heet James Webb geloof ik.

  12. 18

    @16: als miniaturisering de sleutel is dan zou er NU nog eens een investeringsronde gedaan kunnen worden. #1978

    ~~ met magneetschoenen ondersteboven een wandelingetje op dik of dun geverfd staal maken

  13. 19

    Hoogleraar theoretische natuurkunde Erik Verlinde heeft zojuist de uitwerking van een theorie gepubliceerd dat zwaartekracht niet zozeer een kracht is (waarbij objecten elkaar aantrekken).

    Volgens Verlinde..

    .. is de neiging van massa’s om naar elkaar toe te bewegen een soort druk die ontstaat doordat bij het verplaatsen van die massa’s informatie van het hele heelal wordt veranderd. Als een massa zwaar lijkt, komt dat doordat het universum zich verzet tegen het optillen ervan.

    Het gevolg van die alternatieve zienswijze is dat je ‘donkere materie’ niet langer nodig hebt om tot een kloppend rekensommetje te komen.

  14. 20

    @12: Internet is door het ministerie van defensie van de VS uitgevonden.
    Tim Berners-Lee vond HTML uit, dat is een prettigere manier om informatie te presenteren, maar verschilt technisch niet veel van het “onderwaterscherm” van WordPerfect vroeger.

    En oorspronkelijk konden bezoekers geen berichten achterlaten op web-pagina’s in HTML, dus voor discussies moesten ze uitwijken naar nieuwsgroepen e.d.

    Ik denk dat HTML anders wel op een andere plek uitgevonden zou zijn.
    Maar dat HTML bij CERN succes had, zal mede komen doordat daar een grote groep mensen een internet-aansluiting had.