2007-03 MIRA Ceti sprak met... Roeland van der Marel


Wie van ons heeft de afgelopen jaren niet vol verrukking kennis gemaakt met allerlei schitterende objecten in het omringende universum via die adembenemend mooie Hubble-foto’s? MIRA Ceti smaakte het genoegen om Roeland van der Marel (39) te interviewen, en die was de afgelopen jaren mee verantwoordelijk voor de twee bekende beeldcamera’s op de Hubble-ruimtetelescoop, de Wide Field and Planetary Camera en de Advanced Camera for Surveys. Momenteel houdt hij zich niet alleen met Hubble bezig, maar ook met diens opvolger, de James Webb Space Telescope, en met zijn sterrenkundig onderzoek. Ondanks een drukke agenda was deze vriendelijke Nederlander meteen bereid ons ruim een uur te woord te staan. Een vlotte Skypeverbinding zorgde ervoor dat het zelfs niet nodig was om even over en weer naar de VS te reizen.

Roeland van der Marel studeerde wiskunde en sterrenkunde in Leiden en kon als “Hubble Fellow” drie jaar onderzoek verrichten aan het befaamde Institute for Advanced Study in Princeton waar o.a.Einstein, Oppenheimer en Gödel werkzaam zijn geweest. Sinds 1997 is hij verbonden aan het Space Telescope Science Institute in Baltimore.

 

Roeland van der MarelU bent als jong onderzoeker begonnen met het bestuderen van de dynamiek in kernen van sterrenstelsels. Wat was daar tot dan toe over geweten?

 

Sinds de jaren 1950-1960 is bekend dat een klein percentage van de sterrenstelsels er heel anders uitzien in radiogolven en röntgenstralen dan in zichtbaar licht, waarbij men als hypothese stelde dat dit kwam door de aanwezigheid van een massief zwart gat in het centrum. Dat zwarte gat slorpt materie die in de buurt zit op, waarbij die materie volgens E = mc2 omgezet wordt in energie. De energie die zo vrijkomt zie je voornamelijk als straling in het radio- en röntgengebied.

De vraag was of we kunnen bewijzen dat er effectief een zwart gat zit in het centrum van die sterrenstelsels zit, en de beste manier om dat te doen is door de materie in het centrum te wegen. Eén van de karakteristieken van een zwart gat is dat er geen licht van daar afkomstig is. Als je de waargenomen hoeveelheid licht in de kern van zo’n sterrenstelsel vergelijkt met de massa die je gemeten hebt, kan je zo de aanwezigheid van een zwart gat bewijzen.

Om de massa te meten in de kern van een sterrenstelsel proberen we te ontdekken hoe snel de materie daar beweegt. Als dingen niet bewegen in het heelal vallen ze heel snel naar elkaar toe. We zien dus overal objecten om elkaar heen bewegen, soms op een geordende manier zoals de Aarde om de Zon in een bijna cirkelbaan, in sterrenstelsels kan dat zeer chaotisch verlopen met sterren die in allerlei soorten banen rond het centrum bewegen. Maar als er zich geen zwart gat bevindt in het centrum van een sterrenstelsel zijn de verwachtingen dat de sterren in het centrum bewegen met ongeveer dezelfde snelheid als de sterren aan de buitenkant van het stelsel, terwijl je verwacht dat sterren in stelsels met wel een centraal zwart gat extra gravitatie voelen t.g.v. het zwarte gat, en dus in de buurt van de kern veel sneller bewegen dan sterren aan de buitenkant van het sterrenstelsel. En dat soort metingen heb ik dus verricht toen ik begon met mijn onderzoek. Een serieus probleem daarbij was dat door de aanwezigheid van de atmosfeer het vanaf het aardoppervlak niet mogelijk was een scherp beeld te krijgen van het centrale deel van sterrenstelsels, zodat mijn interesse snel uitging naar de Hubble-ruimtetelescoop. Aangezien deze boven de aardatmosfeer opereert kunnen veel scherpere waarnemingen gedaan worden en is het mogelijk door sterren en materiaal te bestuderen dicht bij de kern van sterrenstelsels veel beter bewijs te vinden voor het bestaan van die centrale zwarte gaten. Hubble heeft op dit vlak een heel grote bijdrage geleverd, hetgeen algemeen gezien wordt als één van de tien hoogtepunten in de zeventien jaar dat de telescoop operationeel is.

 

Gaat Hubble het uithouden tot de lancering van de James Webb Space Telescope?

 

Dat hopen we zeker. Hubble is één van de duurste wetenschappelijke instrumenten ooit, en heeft al een bewogen geschiedenis achter de rug. Zelfs vóór de lancering dreigde het hele project o.w.v. budgettaire redenen geschrapt te worden. Na de lancering ontstond er veel beroering toen bleek dat de beelden niet scherp te krijgen waren door een aantal verkeerde specificaties van de overigens perfect geslepen hoofdspiegel. Gelukkig is Hubble bereikbaar voor de Space Shuttle, zodat een kleine vier jaar later die fout hersteld kon worden, en sindsdien presteert hij uitstekend. Intussen zijn er nog drie andere onderhoudsbeurten geweest, waarbij astronauten verouderde of defecte onderdelen vervingen door technologisch meer geavanceerde instrumenten.

Dat alles kost natuurlijk behoorlijk veel geld en is niet zonder risico voor de betrokken astronauten. Na de ramp met Space Shuttle Columbia begin 2003 besliste de toenmalige NASA-baas het hele Space Shuttle-programma zo snel mogelijk te beëindigen waarbij alleen nog maar de engagementen t.o.v. de internationale partners m.b.t. het afwerken van het internationale ruimtestation ISS zouden nagekomen worden. In dat geval zou Hubble geen onderhoudsbeurt meer krijgen, en zou de ruimtetelescoop aan zijn einde komen wanneer vroeg of laat één van de vitale onderdelen definitief zou uitvallen.

Maar twee jaar geleden is er bij NASA een nieuwe baas gekomen, en die noemde Hubble hét pronkstuk van de Amerikaanse ruimtevaart waardoor niet alleen ons beeld van het universum danig veranderde, maar ook dankzij die schitterende foto’s interesse voor sterrenkunde werd opwekt bij mensen over de hele wereld. En tot genoegen van iedereen op ons instituut kreeg Hubble zo een hoge prioriteit in het ruimtevaartprogramma van NASA en is er opnieuw een onderhoudsbeurt gepland voor september 2008. In principe zou de ruimtetelescoop dan opnieuw voor minstens vijf jaar moeten kunnen functioneren, dus zeker tot de Webb-telescoop in 2013 gelanceerd wordt.

 

U ontwikkelde een eigen mathematisch model voor uw onderzoek naar de kernen van sterrenstelsels?

 

In het onderzoeksgebied waar ik me mee bezig houdt, meten we de snelheden van sterren in sterrenstelsels, en hebben we dus te maken met de wetten van de gravitatie, want die bepalen hoe sterren bewegen in sterrenstelsels. De techniek waar ik aan gewerkt heb om dit soort waarnemingen te interpreteren bestaat erin dat alle mogelijke banen die kunnen bestaan in een sterrenstelsel berekend worden, en op grond daarvan ontwikkel je een computerprogramma dat uit al die mogelijke sterbanen diegene selecteert die ook daadwerkelijk de waarnemingen reproduceert. De vraag was dus of het mogelijk is een model te maken waarbij er geen massief zwart gat in het centrum van het sterrenstelsel zit en dat toch alle waarnemingen reproduceert. Als je zo’n computermodel ontwikkeld hebt en je laat het draaien, en als je vervolgens als antwoord krijgt dat zo’n model niet kan bestaan, mag je blijkbaar concluderen dat er wel degelijk een zwart gat in het centrum van die sterrenstelsels moet zitten, want zonder zo’n zwart gat kan je de waarnemingen niet verklaren.

 

Donkere materie speelt hierbij geen rol?

 

Over donkere materie weten we nog niet zo veel, maar wel dat het gaat om een soort materie die massa heeft, en bijgevolg gehoorzaamt aan de wetten van de zwaartekracht. Donkere materie zit geconcentreerd in sterrenstelsels en manifesteert zich onrechtstreeks als een uitgestrekte halo rond het deel van de sterrenstelsels dat bestaat uit gewone materie en dat wel rechtstreeks kan waargenomen worden. Als je b.v. naar een foto van de Andromedanevel kijkt, zie je sterren in een platte schijf met een diameter van meer dan tweehonderdduizend lichtjaar. Daaromheen zit een halo van donkere materie die misschien wel tien keer zo uitgestrekt is. Dus als een astronoom modellen maakt van sterrenstelsels moet hij daar wel degelijk rekening mee houden, maar die donkere materie bepaalt eigenlijk voornamelijk wat er gebeurt met de snelheid van sterren die aan de buitenkant van het sterrenstelsel zitten.

 

Kan u iets vertellen i.v.m. uw onderzoek over de evolutie van onze Melkweg?

 

Onze Melkweg zit in een cluster van sterrenstelsels die we de Lokale Groep noemen. Naast ons eigen sterrenstelsel maken daar ook de Andromedanevel en de Driehoeknevel deel van uit plus een heleboel kleinere dwergstelsels. Sommige van die kleinere stelsels zijn zo lichtzwak dat we er nog regelmatig nieuwe ontdekken. Het Andromedastelsel  en de Melkweg zijn de twee dominante stelsels. Er wordt al wel eens beweerd dat ze binnen een aantal miljarden jaren zullen samensmelten, maar dat is nog niet helemaal zeker. Zo’n mogelijk botsing hangt in grote mate af van de eigenbeweging van het Andromedastelsel. Hoe beweegt het ten opzichte van onze Melkweg in het vlak van de hemel? Als we geen beweging vaststellen betekent dit dat het sterrenstelsel alleen maar in onze richting beweegt, en dan komt er dus zeker een botsing in de verre toekomst. Nu is het meten van de eigenbeweging van het Andromedastelsel geen eenvoudige zaak. Om het een beetje simplistisch uit te leggen zou je het als volgt kunnen stellen: je neemt een foto van het sterrenstelsel, wacht vervolgens een eeuw en dan maak je opnieuw een foto waarbij je beide opnames vergelijkt om te zien of het sterrenstelsel bewogen heeft. Zo’n tijdspanne is nodig om ook maar enige verplaatsing te kunnen vaststellen aangezien het een object betreft op zowat 2,5 miljoen lichtjaar

Waar ik onlangs samen met een aantal collega’s aan heb gewerkt is de eigenbeweging van de Grote en de Kleine Magellaanse Wolk. Met behulp van de scherpe blik van Hubble hebben we waarnemingen verricht, en op basis van deze recente informatie menen we te kunnen concluderen dat de Magellaanse Wolken mogelijk voor de eerste keer langs onze Melkweg voorbijtrekken. Men was er altijd van overtuigd dat ze als onderdeel van de Lokale Groep al meerdere keren rond ons sterrenstelsel zouden gecirkeld zijn, maar de snelheid waarmee de Magellanse Wolken bewegen is dubbel zo groot als aanvankelijk gedacht, hetgeen doet vermoeden dat als ze eenmaal voorbij de Melkweg zijn ze zich via een bijna parabolische baan zullen verwijderen om nooit meer terug te komen. Dit heel nieuwe inzicht heeft betrekking op de twee dichtstbijzijnde sterrenstelsels van de Melkweg op zo’n kleine tweehonderdduizend lichtjaar die we vrij goed kunnen bestuderen. De andere dichtbijgelegen buur, de zogenaamde Sagittariusdwerg op minder dan honderdduizend lichtjaar, is veel moeilijker te bestuderen omdat die zich vanuit ons standpunt bekeken ongeveer achter het centrum van onze Melkweg bevindt.

 

In 2005 won jij samen met Gijs Verdoes Kleijn van de universiteit van Groningen de prestigieuze Pirelli Internetional Award voor beste educatieve website met jullie schitterende “Black Holes: Gravity's Relentless Pull”. Hoe hoog schat jij het belang in van die webstek?

 

Als sterrenkundige heb je toch de verantwoordelijkheid om onderzoek te verrichten dat niet alleen wetenschappelijk relevant, maar ook toegankelijk is voor het grote publiek, want per slot van rekening zijn het de gewone belastingbetalers die dat onderzoek financieren. Ik vind dat dergelijke populariserende initiatieven heel belangrijk zijn en neem ze dan ook serieus op. En aangezien er vele misvattingen bestaan over zwarte gaten, leek het ons zeker de moeite om daarover een website te maken. Momenteel zijn we trouwens bezig aan een Nederlandse vertaling ervan.

Per dag krijg ik toch zo’n twee à drie e-mails met reacties van mensen over de hele wereld. Dat kan een grootmoeder in Australië zijn die enthousiast schrijft dat ze al heel haar leven over het heelal wilde leren en nu ze met pensioen is eindelijk tijd heeft om dat o.a. via onze site te doen.

Een heel leuke reactie is zeker die van een man uit India: zijn driejarige zoon is zo verknocht aan de site dat ze iedere avond wanneer de kleine naar bed moet samen nog even naar het zwarte gat vliegen, anders wil hij niet gaan slapen. Dergelijke positieve feedback geeft natuurlijk veel voldoening en toont aan dat er blijkbaar behoefte is aan dit soort websites voor het grote publiek.

 

Over zwarte gaten bestaan er heel wat misverstanden.

 

Zeker weten. Men denkt al wel eens dat het mysterieuze en totaal onkenbare objecten zijn, maar dat is niet zo. Een zwart gat bestaat uit de gewone materiedeeltjes die we kennen. Indien de Zon twintig keer zwaarder zou zijn geweest zou die gezien haar leeftijd al een zwart gat geworden zijn. Op het moment dat haar nucleaire brandstof opgebrand is, stort zo’n zware ster ineen tot een zwart gat.

Volgens een ander misverstand is een zwart gat een soort rondtrekkende stofzuiger in het heelal die alles opslorpt wat hij in zijn buurt tegenkomt. Het is natuurlijk wel zo dat materie die binnen de waarnemingshorizon van een zwart gat komt er definitief in verdwijnt. De waarnemingshorizon kan je best omschrijven als een hypothetisch oppervlak dat een zwart gat omringt. Niets wat binnen dat oppervlak zit kan er nog ooit aan ontsnappen, zelfs licht niet, vandaar de benaming zwart gat. Maar de zwaartekracht van een zwart gat is in se niet anders dan die van andere objecten. Mocht de Zon morgen – hypothetisch gesproken – in een zwart gat veranderen, toch zou de Aarde gewoon in een cirkelbaan om dat zwarte gat blijven bewegen terwijl er verder niets zou veranderen behalve dat het eerst donker en vervolgens koud zou worden op Aarde.

Het meest interessante aan zwarte gaten is dat ongelooflijk veel materie in het centrum samengedrukt wordt in één punt van oneindig kleine afmetingen, hetgeen we een singulariteit noemen. De gravitatietheorie van Einstein voorspelt dat die singulariteit oneindig klein is, maar we weten dat dit niet kan omdat op een bepaald moment, als je materie maar dicht genoeg bij mekaar brengt, zwaartekracht niet meer de enige dominante factor is, maar ook kwantumeffecten zich laten gelden. Nu is kwantumgravitatie eigenlijk iets waar we nog maar heel weinig van afweten, het is a.h.w. de heilige graal van de theoretische natuurkunde. Het was de droom van Einstein in de laatste twintig jaar van zijn leven om één enkele theorie te vinden die alles in het heelal kan voorspellen, maar hem is het niet gelukt, en 52 jaar na zijn dood hebben we die theorie nog steeds niet. Begrijpen hoe het er in het binnenste van zwarte gaten aan toe gaat zou wel eens de sleutel kunnen zijn om dit probleem op te lossen, want in de extreme omstandigheden die daar heersen doen zich tegelijk gravitatie- en kwantumprocessen voor op een schaal die we op geen enkele andere manier zo kunnen bestuderen.

 

Een bekende uitspraak over zwarte gaten is dat ze geen haar hebben. Wat wordt daar eigenlijk mee bedoeld?

 

Sterren hebben vele eigenschappen: we kunnen het hebben over hun magnetisch veld, rotatie, temperatuur, chemische samenstelling, helderheid, enzovoort. Eén van de interessante aspecten van zwarte gaten is dat ze maar drie eigenschappen hebben: massa, spin – d.w.z. de rotatie om een as, en elektrische lading. Met deze drie parameters kan je ieder zwart gat beschrijven. Als gesteld wordt dat zwarte gaten geen haar hebben is dat in vergelijking met mensen waarbij er een grote variëteit is i.v.m. hun haar: sommigen hebben gekruld haar, bij anderen is het stijl, je hebt blond haar, grijs of zwart haar, kort, lang en wat weet ik nog meer.

 

Als we het hebben over zwarte gaten moeten we het toch ook even hebben over Stephen Hawking. Wat is zijn bijdrage binnen dit onderzoeksgebied?

 

Reeds een dertigtal jaren geleden heeft Hawking aangetoond dat er toch straling en informatie uit een zwart gat kan komen, iets dat tot dan toe voor onmogelijk werd gehouden en eigenlijk een eerste stap was op weg naar een theorie over de kwantumgravitatie.

In de wereld van de kwantummechanica krijgen we te maken met het onzekerheidsprincipe van Heisenberg, en één van de wijzen waarop we dit kunnen formuleren is dat tijd en energie twee grootheden zijn die in zekere zin complementair zijn. In een vacuüm kan binnen een hele kleine periode in tijd een vrij grote hoeveelheid energie vrijkomen waarbij paren van deeltjes en antideeltjes kunnen ontstaan die weer annihileren tot nul energie. Stephen Hawking toonde aan dat als dit proces gebeurt vlak bij de waarnemingshorizon van een zwart gat het kan dat één van de twee virtuele deeltjes binnen en het andere buiten de waarnemingshorizon zit, zodat ten gevolge van de zwaartekracht van het zwarte gat beide deeltjes niet meer kunnen annihileren. Het deeltje binnen de waarnemingshorizon zit gevangen in het zwarte gat en komt nooit meer tevoorschijn, terwijl het andere deeltje naar buiten ontsnapt, niet langer een virtueel deeltje is maar een reëel deeltje wordt dat als straling kan waargenomen worden.

Toen Hawking zijn ideeën voor het eerst presenteerde waren een hoop van zijn collega’s sceptisch, maar inmiddels zijn alle deskundigen ervan overtuigd dat die zogenaamde Hawkingstraling wel degelijk een feit is.

Aangezien er straling naar buiten komt, betekent dit eigenlijk dat een zwart gat geleidelijk verdampt, en als we er genoeg tijd overheen laten gaan, zal uiteindelijk alle materie verdwenen zijn. Maar de hoeveelheid straling die naar buiten lekt is enorm klein, en op die manier duurt het misschien 10100 jaar vooraleer een zwart gat volledig verdampt is. Ter vergelijking: de leeftijd van het heelal is ongeveer 1010 jaar. We mogen dus stellen dat die Hawkingstraling heel weinig praktische relevantie heeft voor de eigenschappen van de zwarte gaten die we waarnemen in het heelal, maar dat ze wel degelijk erg relevant is voor het theoretische begrip van zwarte gaten.

 

Bedankt voor het boeiende gesprek en ik wens ons allen nog veel Hubbleplezier toe!