6 oktober 2007 NRC

Een strak gesneden pak - Margriet van der Heijden

Nobelprijswinnaar George Smoot over de samenhang in de kosmos

Volgende week worden de Nobelprijzen bekend gemaakt. Vorig jaar won astrofysicus George Smoot de Nobelprijs voor natuurkunde. Dankzij babyfotos van het heelal . De ontdekking van de eeuw. Zo noemde de beroemde fysicus Stephen Hawking de eerste precieze opnames van de gloed van de oerknal. Opnames die de kosmos in haar beginstadia laten zien - nog voordat uit afgekoelde materie de eerste sterren en sterrenstelsels ontstonden. Ze werden gemaakt met de COBE-satelliet van NASA en in 1992 als babyfotos van het heelal naar buiten gebracht (zie kader).

De twee mannen die de jarenlange voorbereidingen voor de fotos troffen, de Amerikaanse astrofysici George Smoot en John Mather, kregen daar vorig jaar de Nobelprijs voor
. Omdat hun metingen de oerknaltheorie een stevig fundament hadden gegeven, en omdat hun werk het begin van de precisie-kosmologie had ingeluid.

En toen volgde een jaar vol lezingen en interviews, zegt George Smoot, hoogleraar aan het Berkeley Lab in Californie, in Felix Meritis, in een zaaltje met veel galm en gekraak. Smoot is in Amsterdam om, inderdaad, een lezing te geven, maar dat doet hij graag. Er mag wel een beetje reclame voor zijn vak gemaakt worden, want: het Westen heeft meer betastudenten nodig.

U komt uit een familie van rechters?

Smoot: Ja, in mijn familie komen veel rechters voor. Mijn beide grootvaders waren rechter, eentje bij het tribunaal van Neurenberg, ik heb een oom die rechter is en een neef... Ik heb wel eens gespeculeerd dat een rechter eigenlijk dezelfde eigenschappen nodig heeft als een natuurwetenschapper. In beide gevallen moet je logisch kunnen denken, verschillende stukjes informatie kunnen combineren en dan een verstandig oordeel proberen te vellen. Het verschil is dat het in het ene geval gaat om de wetten van de mens, en in het andere geval om de wetten van de natuur. En de wetten van de natuur zitten overduidelijk veel logischer en helderder in elkaar dan die van de mens.

U beschreef ooit hoe u als kind door de natuurwetenschap werd gegrepen toen uw ouders uitlegden waarom de maan meereist als je over de snelweg rijdt...

Ja, ik wilde altijd graag weten hoe dingen werkten. En toen mijn ouders dit verschijnsel verklaarden, bleek hun uitleg zo helder en zo gemakkelijk. Met redeneren en een eenvoudig model was het te begrijpen, en achteraf bezien was dat de sleutel: dat haalde me over tot natuurwetenschappen.

U realiseerde zich dat de natuur aan wetten gehoorzaamt?
Ja, en ik weet niet hoe dat voor Nederlanders is, maar ik groeide ook met de natuur op. We woonden in kleine stadjes, in Alabama en vier jaar jaar in Alaska, we waren veel buiten en zagen planten en dieren. Kijk - rommelt een tijdje op zijn laptop - hier zie je mijzelf, en mijn zus en een vriendinnetje met op de achtergrond een rendier met een jong. Wat ik ermee wil zeggen is dat je zo de seizoenen meemaakt, de sterren ziet. Dat je, kortom, de fysische wereld ervaart en er aan blootgesteld bent.

Na uw natuurkundestudie aan het mit verdiepte u zich in de deeltjesfysica, juist de wereld van het kleinste...Ja, maar onze macroscopische blik op de wereld [de kosmologie, mvdh] en onze microscopische blik op de wereld [de deeltjesfysica, mvdh] zijn wel steeds meer gaan samenvallen.

Destijds, in de jaren zestig, was dat toch niet zo duidelijk?
Nee, maar we wisten ook toen dat er tussen die fundamentele gebieden verbanden moesten zijn. In die tijd werd steeds duidelijker dat de oerknaltheorie de juiste theorie moest zijn. En dat betekende ook dat als je teruggaat in de tijd het universum steeds heter en compacter wordt.

Tegenwoordig is natuurlijk heel duidelijk dat de microfysica en macrofysica nauw verwant zijn. We weten dat alles wat we nu in ons heelal waarnemen, voortgekomen is uit de microscopische wereld van vlak na de oerknal en uit de fysische wetten van die microwereld. Daarna is het heelal eerst razendsnel geŽxpandeerd, maar voor zover we nu kunnen overzien is wat we in de kosmos waarnemen toch voor een deel een uitvergroot beeld van die microscopische wereld.

Dat zie je natuurlijk goed in de minieme fluctuaties in de kosmische achtergrondstraling, een overblijfsel van de oerknal. Ooit hoorden die fluctuaties bij de kleinste dingen van het universum, nu zijn de clusters van sterrenstelsels die eruit ontstonden de grootste structuren van de kosmos.

Het bestaan van de kosmische achtergrondstraling werd in 1964/1965, bij toeval aangetoond door Robert Wilson en Arno Penzias van Bell Laboratories. Met hun ontdekking van de straling, die gelijkmatig uit alle richtingen van het heelal kwam, leverden zij een sterk bewijs voor de oerknaltheorie. Dat er uit de achtergrondstraling nog meer informatie te destilleren viel, werd pas in de jaren daarna duidelijk, zegt Smoot.

Hijzelf werd zich ervan bewust toen hij tijdens zijn promotieonderzoek een lezing bijwoonde van de bekende Amerikaanse astronoom Joe Silk - destijds ook nog promovendus. Smoot: Silk zei dat een van de grootste vraagstukken uit de kosmologie van die tijd was hoe sterrenstelsels waren ontstaan. Als het vroege heelal een soort vuurbal was, en de meting aan de kosmische achtergrondstraling wees daarop, dan zouden namelijk alle beginnetjes van sterrenstelsels daarin uiteengereten worden. De grote vraag volgens hem was dus of en hoe die beginnetjes, die fluctuaties, bewaard gebleven konden zijn.

In de achtergrondstraling zouden zulke beginnetjes moeten opduiken als minieme, lokale temperatuurvariaties.
In de orde van een duizendste graad, zo dacht men in de jaren daarna. Uiteindelijk bleken ze zelfs een honderdduizendste graad klein. Maar voor fluctuaties van dat formaat was de meetapparatuur in de jaren zestig niet rijp.

In 1975 wel, en Smoot diende een voorstel in om de fluctuaties in de achtergrondstraling op te gaan sporen. En om zo ook het ontstaan van grootschalige structuren in het heelal, zoals het spinnenweb van sterrenstelsels en clusters van sterrenstelsels, beter te begrijpen.

In 1976 bracht NASA dat voorstel onder in een groter project waaraan ook John Mathers deelnam, die het spectrum en de temperatuur van de achtergrondstraling heel precies wilde meten. En dat was het begin van een traject dat, het valt ook te lezen in Smoots boek Wrinkles in time, soms eindeloos leek.

De detectoren moesten ontworpen worden en de bijbehorende COBE-satelliet werd gebouwd voor lancering met een Deltaraket
. Daarna moest alles worden omgebouwd voor een lancering met een Spaceshuttle. En toen de Challenger in 1986 verongelukte en het Spaceshuttle-programma stil kwam te liggen, leek een lancering zelfs onmogelijk.

Maar in november 1989 ging de COBE-satelliet dan toch met een Deltaraket naar een baan om de aarde. Om daar tot 1996 - twintig jaar na de eerste concrete voorstellen, benadrukt Smoot - te blijven meten.

Was het niet enorm frustrerend zo lang bezig te zijn?

Ja. Lacht. Wat kan ik anders zeggen? We deden wat we konden maar het was leuker geweest als de dingen sneller waren gegaan.

U heeft nooit gedacht: ik stop ermee?

Nee. Ten eerste omdat ik wilde weten hoe het zat, en ten tweede omdat ik de hoofdonderzoeker was. Het was mijn taak om het te laten gebeuren. Begrijp je? Je neemt een rol aan, net zoals je als Nobellaureaat ook weer een rol hebt. Dat zie je ook bij mensen die een baan krijgen als burgemeester of zo: je groeit in de baan, of de baan vreet je op.

En u groeide?

Ja, ik wist dat het mijn taak was dit voor elkaar te gaan krijgen.
In 1992 had uw team de resultaten. Was er meteen een persconferentie?

We hebben de resultaten eerst gepresenteerd op de ochtendsessie van de vergadering van de American Physical Society. Daarna hadden we een persconferentie en toen deed ik natuurlijk, schiet in lach, die uitspraak dat Als je religieus bent, is het alsof je God ziet. En dat werd aangehaald als het gezicht van god zien of het handschrift van god zien en allerlei andere varianten daarop... Lacht weer.
 

Bent u religieus?

Op die vraag geef ik nooit antwoord, omdat religie iets persoonlijks is. En mensen zouden niet naar een autoriteit moeten opkijken, maar zelf hun keuze moeten maken.

Maar ik zie geen reden waarom natuurwetenschap en religie niet naast elkaar zouden kunnen bestaan. Want ook als het universum niet gemaakt is door God, moet het universum consistent zijn met zijn wil.

Lacht. Misschien zeg je nu dat je dat niet begrijpt - het klinkt te logisch. Maar terugkomend op mijn eerste uitspraak: het universum zit zeker consistenter in elkaar dan de wetten en schrijfsels die door mensen worden gemaakt. Dat leer je van dit soort onderzoek: hoe goed en mooi alles in het universum in elkaar past. Met nadruk: En dat moet het ook doen.

Vindt u het jammer dat juist die ene uitspraak steeds werd aangehaald?
Grinnikt. Een van mijn collegas zei: I wish the hell he hadnt said that.

Wat ik echt niet begrepen had was hoeveel mensen naar die persconferentie gekomen waren. En de meeste van die verslaggevers hadden geen wetenschappelijke achtergrond. Als ik dat geweten had, had ik misschien meer analogieŽn gebruikt. Of misschien had ik toch ook wel deze aangehaald.

Want aan de andere kant: het is moeilijk om niet op dit soort vragen in te gaan. Als je het alleen hebt over het begin van het heelal, raak je al bijna aan religie. In de christelijke religie is creator, schepper, een synoniem voor God. En er zijn nog veel meer woorden in onze Europese talen die concepten mengen: hemel bijvoorbeeld. Als je over sterren en de hemel praat raak je zo onwillekeurig ook aan het terrein van religie.

Wat zijn nu de prangende vragen in de kosmologie?

De eerste is: wat is inflatie [het razendsnel uitdijen van het heelal vlak na de oerknal, mvdh]? De tweede is: wat is de donkere materie [onzichtbare materie die de structuur in het heelal mede bepaalt en bijna 25 procent van het heelal uitmaakt, mvdh]? De derde: wat is de donkere energie [onbekende energie die het heelal versneld laat uitdijen en bijna 75 procent van het heelal uitmaakt, mvdh]? Dan: waarom is er meer materie dan antimaterie in het heelal?


En dan zijn er nog vier vragen: Zijn er andere overblijfselen van de oerknal zoals kosmische snaren? Veranderen de fundamentele natuurconstanten in de loop van de tijd? Zijn er extra dimensies die ertoe doen? En zijn er andere natuurkrachten die ertoe doen? Dat zijn de grote fysische vragen.

Hoe goed begrijpen we de kosmos?

Ik denk dat we de kosmos in statistisch opzicht bijna tot op ťťn procent nauwkeurig begrijpen. Als je daarover nadenkt: je kleren, je broek, je trui, die passen niet zo precies. Op een statistisch niveau is de kosmos voor ons als een heel scherp gesneden en precies opgemeten kostuum.

Maar we weten niet wat donkere materie is, of donkere energie, dus dan kennen we toch het heelal niet echt?

Je kunt die situatie vergelijken met de ideale gaswetten, die een precies verband geven tussen de macroscopische grootheden volume en druk en temperatuur. Intussen hebben we daar ook een microscopische versie van, waarin het gas bestaat uit moleculen die bewegen. En waarin temperatuur bijvoorbeeld, gewoon een maat is voor de gemiddelde bewegingsenergie van die moleculen.

Donkere materie, donkere energie en inflatie zijn ook van die macroscopische grootheden. En net zoals we voorheen met de gaswetten heel goed de thermische expansie van gassen konden beschrijven, zonder dat we de microscopische details kenden, zo kunnen we nu met deze macroscopische grootheden heel goed het heelal en het ontstaan ervan beschrijven. We begrijpen de effecten, we begrijpen alleen de microscopische details nog niet.

George Smoot Het begin van het heelal, dan raak je al bijna aan religie De cobe-satelliet ving van 1989 tot 1996 het fossiele licht dat krap 380.000 jaar na de oerknal voor het eerst kon ontsnappen. Voor die tijd was het heelal gevuld met een gloeiend heet plasma, dat licht uitzond, maar het ook onmiddellijk weer absorbeerde. Pas na bijna 380.000 jaar was de uitdijende kosmos zozeer afgekoeld dat het licht en warmtestraling er vrijuit doorheen konden reizen. Het universum was doorschijnend geworden. En de resten van de gloed, die toen plotseling het heelal vulde, werden bijna 13,5 miljard jaar later door de COBE-satelliet opgepikt. John Mathers (61) leidde het team dat in 1990 uit de gloed heel precies afleidde hoever het uitdijende heelal intussen was afgekoeld. De golflengte van de fossiele gloed, opgerekt met het universum mee, wees op een temperatuur van 2,725 graden boven het absolute nulpunt. Het team van George Smoot (62) liet twee jaar later zien dat er in de gloed ook minieme temperatuurvariaties zitten. Rimpelingen van een honderdduizendste van een graad, die minieme variaties in materiedichtheid in het vroeg heelal aangeven. En die zo de kiemen aanwijzen waaruit later, onder invloed van de zwaartekracht, sterren zouden samenklonteren, en sterrenstelsels en clusters van sterrenstelsels. In 2003 bracht het team van de WMAP-satelliet van NASA een nog preciezere kaart van de kosmische achtergrondstraling naar buiten. Daaruit viel ook af te leiden dat maar vier procent van de kosmos uit materie bestaat zoals wij die kennen en zien. Krap een kwart moet uit onzichtbare en nog onbekende, donkere materie bestaan en nog eens bijna driekwart uit onbekende donkere energie. Volgend jaar zullen NASA en haar Europese tegenhanger ESA de Plancksatelliet lanceren die de achtergrondstraling in weer meer detail moet ontrafelen.

Foto-onderschrift:

Na twee jaar meten leverde de cobe- satelliet de eerste babyfoto van de kosmos (bovenaan). De rimpelingen zijn de kiemen waaruit sterrenstelsels ontstonden. De opname van wmap (hierboven) uit 2003 was nog preciezer. Ter vergelijk de cobe-kaart na vier jaar.