2005-02 MIRA Ceti sprak met... Thomas Hertog


Toen Thomas Hertog in 1975 geboren werd, was de kosmologie een heel rustig onderzoeksdomein waarbij de theorieën het al te vaak moesten stellen zonder ondersteuning van reële waarnemingen. Sindsdien heeft er zich echter een hele ontwikkeling voorgedaan binnen de kosmologie, zodat we haast van een revolutie zouden kunnen spreken.

Had de jonge student natuurkunde aan de KU Leuven dat misschien voorvoeld, toen hij in de eerste licentie via een keuzevak voor het eerst in contact kwam met de relativiteitstheorie? Want zo kwam hij via een ommetje bij niemand minder dan Stephen Hawking in Cambridge terecht. En tegenwoordig is hij docent aan het befaamde instituut voor theoretische natuurkunde in het Amerikaanse Santa Barbara.

Dit is ongetwijfeld nog maar het begin van een veelbelovende carrière…  

 

Thomas HertogThomas, hoe ben jij bij Stephen Hawking terechtgekomen?

 

Dat gebeurde via een omweg langs de universiteit van Dublin. Voor mijn licentiaatsthesis over de relativiteitstheorie ben ik immers naar de Ierse hoofdstad getrokken omdat er daar een gerenommeerd centrum is i.v.m. relativiteit. En daar heeft men mij aangeraden om in Cambridge te gaan doctoreren. Daar heb ik dan eerst een master-opleiding gevolgd om me grondig in te werken in de kosmologie en het Department of Applied Mathematics & Theoretical Physics. Toen reeds was het mij duidelijk dat de klassieke relativiteitstheorie uiteindelijk een afgerond verhaal is, maar in de jaren 1990 allerlei nieuwe toepassingen had gekregen binnen de kosmologie. Voordien bleven de theorieën over het heelal vaak nogal abstract, maar dankzij nieuwe technologieën kwamen er veel nauwkeuriger observaties ter beschikking en werd de kosmologie veel concreter en preciezer. En zo werd het mogelijk de relativiteitstheorie te combineren met een aantal aspecten uit de  kwantummechanica, hetgeen een zeer belangrijk en veelbelovend onderzoeksdomein oplevert, waaraan zeker in Cambridge op hoog niveau gewerkt wordt door Stephen Hawking en andere vooraanstaande wetenschappers. Ook ik raakte er helemaal door gefascineerd en heb dus gedoctoreerd in die schitterende omgeving… 

 

… waar ooit de grote Isaac Newton met zijn baanbrekende werk over zwaartekracht het wetenschappelijk denken een nieuw tijdperk binnenloodste.

 

Inderdaad, ik heb van dat alles zeer intens genoten, en beschouw Cambridge dan ook als de ultieme academische omgeving: een heel dynamische universiteit met een aangename en breeddenkende mentaliteit die bovendien zeer multicultureel is o.w.v. de vele studenten uit alle hoeken van de wereld die daar actief zijn. Mijn samenwerking met Stephen Hawking was natuurlijk een buitengewone ervaring, waarbij ik ook de mogelijkheid had om naar allerlei bestemmingen mee te reizen en in contact te komen met onderzoekers van topniveau. Zo ben ik enkele keren naar Chili geweest, waar ik kennis maakte met een wondermooie zuidelijke sterrenhemel. En via Hawking leerde ik ook het Institute for Theoretical Physics kennen aan de universiteit van Santa Barbara. Dat instituut onderscheidt zich van een doorsnee departement natuurkunde o.w.v. de multidisciplinaire aanpak die gehanteerd wordt. Zo organiseert men er permanent workshops waarbij gedurende enkele maanden wetenschappers uit alle hoeken van de wereld samengebracht worden rond een thema dat een aantal traditionele onderzoeksgebieden verbindt, zoals b.v. kosmologie en deeltjesfysica. Na mijn doctoraat leek Santa Barbara mij een ideale bestemming om mijn onderzoek verder te zetten, en ik was dan ook heel blij dat ik daar in 200? aan de slag kon.

 

Is er een merkbaar verschil tussen de academische wereld in Europa en de VS?

 

Er zijn wel degelijk een aantal verschillen, maar binnen de kosmologie en de theoretische fysica ervaar ik dat zeker niet als hinderlijk, en in het algemeen is er een heel positieve sfeer. Dat heeft wellicht te maken met de hoge graad van abstractie en met het feit dat het wereldwijd gaat om hooguit een duizendtal mensen die zich actief met dit soort onderzoeksvragen bezighouden.

Wat voor ons Europeanen zeker opvalt in de VS, is dat de universiteiten daar toch voor een deel worden beschouwd als een bedrijf. En dat heeft natuurlijk een aantal goede kanten: meer financiële middelen, en bijgevolg meer accommodaties, meer secretaressen, meer postdoctoraatstudenten, enz. Bovendien zijn de VS één groot land waarbij wetenschappers voortdurend van het ene onderzoeksinstituut naar het andere vliegen, en het spreekt voor zich dat een dergelijke mobiliteit heel inspirerend kan werken. Dat alles creëert een fantastische dynamiek in de universiteitswereld van de VS, hetgeen ontegensprekelijk een positieve invloed heeft op de onderzoeksresultaten.

Anderzijds begint men in Europa toch ook meer werk te maken van gestructureerde netwerken rond een aantal wetenschappelijke centra. En ook al verloopt dat trager en bureaucratischer dan in de VS, toch is deze ontwikkeling zeker hoopgevend. De belichaming van de echte authentieke wetenschapper die op zichzelf diep en lang over een welbepaald probleem nadenkt, heb ik trouwens veel sterker ervaren in Cambridge, en dat heeft zeker te maken met onze Europese traditie. Qua wetenschapsbedrijving ben ik dus zeker niet gelukkiger in de VS, maar de dynamiek die ik daar ervaar en de vele contacten maken het toch een zeer waardevolle belevenis.

 

En bovendien is er het zonnige klimaat…

 

Dat bepaalt zeker mee de charme van Californië. Je vindt daar een boeiende samenleving die tot stand komt door vele niet-lokale invloeden: mensen komen van zowat overal daarnaartoe in de hoop er werk, geluk of een toekomst te vinden, en het is een heel interessante ervaring om een dergelijke gemeenschap van binnenuit te leren kennen.

Toch denken mijn vrouw en ik eraan om samen met onze twee kindjes terug te keren naar Europa, omdat wij het al bij al aangenamer vinden om in Europa te vertoeven. Maar als ik met natuurkunde kan bezig blijven, zal dat hoe dan ook in een internationale context zijn, waarbij ik een aantal maanden per jaar in de VS of elders aan de slag zal zijn. Mijn contract in Santa Barbara loopt af aan het einde van dit jaar, maar vanaf dan heb ik er wel het statuut van ‘visiting scientist’, dus zal ik er minstens alle paar jaar voor enkele maanden moeten zijn. Hetgeen misschien wel een goede balans is tussen Europa en de VS. Ook in Chili heb ik een aantal projecten lopen, dus af en toe krijg ik ook de kans om de zuidelijke sterrenhemel te gaan bewonderen.

 

In jouw onderzoek staat de snaartheorie centraal?

 

Inderdaad, binnen de theoretische kosmologie zijn er een aantal denkpistes, maar de snaartheorie blijkt vooralsnog als enige eventueel de mogelijkheid te kunnen bieden om de kwantummechanica en de relativiteitstheorie te verenigen. En dat is natuurlijk de hele sleutel om de oorsprong van het heelal te kunnen begrijpen.

Wat is nu eigenlijk die snaartheorie? Niets anders dan stellen dat alle elementaire deeltjes in feite trillende snaartjes zijn die kwantummechanisch bestudeerd worden, en de verschillende trillingen van die snaartjes percipiëren wij dan als verschillende elementaire deeltjes. Dus als een snaartje op een verschillende manier trilt, lijkt dat vanop een kleine afstand gezien een verschillend elementair deeltje met een verschillende eigenschap, een verschillende lading, een verschillende massa. De grote verrassing en originaliteit van de snaartheorie is dat als men zo’n snaartje kwantummechanisch bestudeert er altijd een bepaalde trilling van overeenkomt met wat we traditioneel als de zwaartekracht beschouwen. En dat is wel ongemeen spectaculair, want als we elementaire deeltjes kwantummechanisch bestuderen, lukt het op geen enkele wijze om daar zwaartekracht bij te betrekken. Maar dit inzicht impliceert nu niet meteen dat we de structuur van de snaartheorie volledig begrijpen, en naarmate men die theorie almaar diepgaander bestudeert, komen daar een boel effecten bij zoals het feit dat er heel wat meer dan drie ruimtelijke dimensies zijn, het feit dat er membranen zijn waarop volledige heelallen kunnen ontstaan, enz. Dus binnen de theoretische kosmologie is het de bedoeling om de snaartheorie verder te ontrafelen, en meer specifiek om na te gaan wat die te zeggen heeft over zwarte gaten en over de oerknal.

 

Waarom zijn zwarte gaten zo belangrijk voor het kosmologische onderzoek?

 

Als we onderzoeken in welke omstandigheden de relativiteitstheorie faalt en dus moet vervangen worden door een kwantummechanische beschrijving van de zwaartekracht, komen we onvermijdelijk terecht bij fenomenen waarbij de dichtheid van de materie immens hoog is. In minder extreme omstandigheden is de klassieke beschrijving van de zwaartekracht door de theorieën van Newton en Einstein immers toereikend. En zo zijn er maar twee fenomenen bekend: zwarte gaten en de oerknal. In wezen hebben zwarte gaten niets te maken met kosmologie, maar als we de oerknal willen begrijpen, kunnen we misschien eerst proberen zwarte gaten te begrijpen omdat die toch een heel stuk minder complex zijn. Niet dat zwarte gaten bepaald eenvoudig zijn, maar in vergelijking met de onvoorstelbaar ingewikkelde dynamiek van de oerknal zijn het eerder statische objecten.

 

In populaire tijdschriften zoals recentelijk nog in Ciel & Espace durft men wel eens vraagtekens plaatsen bij het oerknalmodel. Terecht of ten onrechte?

 

Er zijn te veel argumenten pro die aantonen dat het oerknalmodel echt wel een overtuigend model is. Wanneer we uitgaan van een heel nauwkeurig bepaalde hete plasmatoestand in een pril stadium van het heelal, kunnen we berekenen hoe alles verder evolueert in ruimte en tijd, en de resultaten die we zo bekomen vergelijken om te zien of ze in overeenstemming zijn met de vele verschillende waarnemingen. Dat blijkt vrij aardig te kloppen, hetgeen een sterke ondersteuning betekent voor de oerknaltheorie.

De laatste jaren is er op dat vlak heel veel vooruitgang geboekt, niet in het minst omdat we tegenwoordig over krachtige computers beschikken waarmee het ganse evolutieproces gesimuleerd kan worden. Maar natuurlijk blijft er nog veel werk te verrichten, want de evolutie van het heelal is een zeer complex onderzoeksdomein met een enorm aantal parameters om te begrijpen hoe de kleinste fluctuaties evolueerden tot grote structuren zoals hele sterrenstelsels. En men vindt inderdaad geregeld anomalieën, waaruit blijkt dat het ganse plaatje voorlopig nog niet volledig begrepen is, maar binnen de wetenschappelijke gemeenschap worden die nooit geïnterpreteerd als echt problematisch voor het oerknalmodel zelf.

Wel misleidend i.v.m. de oerknaltheorie is de naam ‘oerknal’ zelf: het is immers helemaal niet duidelijk of die oerknal het echte begin was van het heelal, alhoewel die naam dat wel suggereert. Wat men wetenschappelijk bedoelt, is dat het heelal zich niet gedraagt als een statisch geheel, maar dat we te maken hebben met een expanderende tijdruimte waarbinnen er van alles gebeurt en zich geleidelijk structuren kunnen vormen. Maar of er voor die expansiefase een andere fase was dan wel of de oerknal het allereerste begin was, is een open vraag. En daarover bestaat een verkeerde perceptie.

 

Welke projecten zijn belangrijk voor jouw onderzoek?

 

De WMAP-satelliet van de NASA die sinds 2002 operationeel is en de Planck-satelliet van de ESA die in 2007 gelanceerd wordt, zijn ongetwijfeld de voornaamste projecten van dit decennium. Het is de bedoeling van WMAP en Planck een zeer gedetailleerde panoramische foto te maken van het jonge heelal toen het een paar honderdduizend jaar oud was en er zich nog geen complexe structuren gevormd hadden. Die waarnemingen ondersteunen of spreken op bepaalde punten de bestaande theorie tegen, zodat er eventueel een en ander bijgestuurd kan worden. En het is precies de wezenlijke opdracht van de snaartheorie en van de theoretische kosmologie in het algemeen om die snapshots te voorspellen of ten minste te verklaren.

De kosmische achtergrondstraling zelf werd in 1965 ontdekt, hetgeen een zeer belangrijke ontdekking was om de oerknaltheorie definitief te doen aanvaarden. Maar voor een eerste foto ervan was het wachten op de Cosmic Background Explorer, een Amerikaanse satelliet uit het begin van de jaren 1990. Sindsdien zijn er via een aantal projecten nog foto’s van de achtergrondstraling gemaakt in een steeds hogere resolutie en Planck zal de bekroning zijn van dat hele project.

Waarom ligt de grens tot waar we kunnen terugkijken blijkbaar op een kleine driehonderdduizend jaar? Omdat het heelal daarvoor a.h.w. één hete bol straling was met een dusdanig hoge densiteit dat de fotonen niet gewoon rechtdoor konden reizen, maar de hele tijd op elkaar botsten en je er dus niet doorheen kon kijken. Het heelal was m.a.w. een ondoorzichtig plasma. Wat niet wil zeggen dat we over hetgeen er daarvoor gebeurde alleen maar kunnen speculeren: op basis van de foto’s van de kosmische achtergrondstraling kunnen we proberen de evolutie die er daarvoor plaatsvond te achterhalen.

Op lange termijn is er evenwel nog één mogelijke manier om verder terug in het verleden te kijken, en dat is door zwaartekrachtsgolven te bestuderen. Net zoals we voor de lichtdeeltjes een snapshot gemaakt hebben van de allereerste vorm van elektromagnetische straling die zich in het universum manifesteerde, zo kunnen we ook proberen een snapshot te maken van de zwaartekrachtsgolven die uitgezonden werden bij de oerknal. Zwaartekrachtsgolven werken zich immers door elk plasma heen, en op die wijze zouden we in principe kunnen terugkijken tot het allereerste begin. Maar momenteel is het onmogelijk om dit te realiseren, want tot op heden zijn zwaartekrachtsgolven nog nooit rechtstreeks waargenomen omdat ze zo extreem zwak zijn en dus haast niet waar te nemen.

 

Dus is het wachten op resultaten van projecten zoals de Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) en de Laser Interferometer Space Antenna (LISA)?

 

Inderdaad, maar LIGO en LISA gaan geen van beide ver genoeg om een dergelijk snapshot te maken van het allerprilste begin, daarvoor zal eerst de Big Bang Observatory moeten gelanceerd worden, en dat is nog niet voor de komende jaren. Het opsporen van zwaartekrachtsgolven is een heel nieuw onderzoeksdomein, want tot op heden hebben sterrenkundigen het omringende heelal alleen maar op basis van elektromagnetische straling waargenomen. En LIGO is de eerste stap in dat onderzoek.

Wanneer een gravitatiegolf ergens passeert, is dat eigenlijk een kleine fluctuatie in de tijdruimte, waardoor twee objecten in mekaars buurt een haast onwaarneembaar beetje dichter bij en verder van elkaar komen, ze worden m.a.w. extreem lichtjes heen en weer geschud. Dus om zwaartekrachtsgolven op te sporen volstaat het een waarnemingsinstrument te maken dat bestaat uit verschillende onderdelen, een interferometer zeg maar, vervolgens een aantal objecten op een vaste positie t.o.v. elkaar te hangen en te wachten tot er een zwaartekrachtsgolf passeert. Het principe is eenvoudig, maar het probleem is dat die golven zo ongemeen zwak zijn. Dat heeft uiteraard te maken met het feit dat de zwaartekracht zelf zo zwak is. De grote hoop om waarnemingen te verkrijgen van de oerfase van ons heelal berust in ieder geval bij dit soort onderzoek, maar echte doorbraken op dit vlak zijn pas te verwachten binnen enkele decennia.

Een andere piste vanwaar eventueel nieuwe inzichten zouden kunnen komen, is vanuit Genève, waar men bezig is met de bouw van een nieuwe reusachtige deeltjesversneller. Eens die in gebruik is, zal het mogelijk zijn om nieuwe recordenergieën op te wekken door deeltjes te doen botsen en daarbij omstandigheden te creëren die ons dichter brengen bij de microscopische structuur van materie bij de oerknal. Maar het blijft hoe dan ook onmogelijk om de omstandigheden van de oerknal helemaal na te bootsen. Tot de ultieme oplossing van al onze kosmologische vragen zullen we wellicht nooit komen, maar stapje voor stapje evolueert het onderzoek alleszins in de goede richting.

 

We zullen proberen het van op een afstand allemaal mee te volgen. Alvast bedankt, Thomas, voor de interessante uitleg, en we wensen jou nog veel vruchtbaar onderzoekswerk toe!