2012-03 MIRA Ceti sprak met... Martin Bucher
Een tripje maken naar Parijs zonder aan kosmologie doen? Dat zou voorwaar een gemiste kans zijn, want aan de oevers van de Seine bevindt zich het prestigieuze Laboratoire de physique théorique, het hoofd van de onderzoeksgroep kosmologie aldaar is Martin Bucher (°1964). Dr. Bucher werd in Hamburg geboren, maar groeide op in de Verenigde Staten. Hij studeerde toegepaste wiskunde en theoretische natuurkunde aan de universiteit van Berkeley, en doctoreerde vervolgens aan het Caltech met een thesis over kwantumwervelingen in het gedrag van elementaire deeltjes en over kosmische snaren. Daarna volgde een postdoc aan het Institut for Advanced Studies in Princeton en aan het Department of Applied Mathematics and Theoretical Physics van de universiteit van Cambridge waarbij de nadruk kwam te liggen op het onderzoek van de kosmische inflatie en achtergrondstraling. Toch wel onder de indruk van dergelijk cv betraden wij het kantoor van dr. Bucher, een minzaam man zo bleek, die graag een uurtje van zijn kostbare tijd met ons wou delen om te praten over het onderzoek van het prille heelal.
Dr. Bucher, u schrijft wetenschappelijke artikels over hoe het heelal zich als een gigantisch membraan zou kunnen ontwikkelen uit de botsing van twee kosmische bubbels die in een vacuüm ontstaan. Dat idee vergt voor de modale sterveling wel enige uitleg.
Het is natuurlijk wel vrij ingewikkelde en veelal zeer hypothetische materie die veraf staat van onze dagdagelijkse realiteit.
Het model van een bubbeluniversum gaat uit van het idee van een meervoudig universum, waarbij verschillende gebieden binnen een zichzelf opblazend heelal op verschillende tijdstippen tot een toestand van vacuüm kunnen vervallen. Zo ontstaan er sub-universa waartussen geen causaal verband is en elk met hun eigen natuurkundige wetmatigheden. En dan is het een kwestie van natuurlijke selectie om te zien welke sub-universa kunnen blijven bestaan en welke niet. Het resultaat zal een eindig aantal universa zijn met fysische wetten die consistent zijn binnen de eigen tijdruimte.
Het idee het heelal te beschouwen als een soort membraan komt voor uit de snaartheorie, waarbij minuscuul trillende snaren als fundamentele bouwstenen van het universum fungeren. Men ziet die snaren dan niet langer als eendimensionale entiteiten, maar als supersnaren die een soort membranen, kortweg branen, vormen in meerdere dimensies. In die visie is ons vierdimensionale zichtbare heelal slechts een braan binnen zo’n ruimte met bijkomende dimensies.
We moeten een model ontwikkelen waarmee we uit natuurlijke begincondities zo’n membraanuniversum kunnen zien ontstaan. Maar omdat via de voorgestelde modellen de ruimte met vijf dimensies nooit zo homogeen wordt als hetgeen we daadwerkelijk waarnemen, heb ik voor dat probleem een oplossing voorgesteld met begincondities die een dergelijke vijfdimensionale tijdruimte creëren als we vertrekken van twee bubbels die tegen mekaar botsen. De homogene en isotrope aard van ons universum ontstaat zodoende op een natuurlijke wijze uit de symmetrie van de twee bubbels die met mekaar botsen. Binnen het kader van dit model heb ik de voorspelde kosmologische verstoringen berekend, de bedoeling is immers om een concrete berekening mogelijk te maken van verstoringen van de ruimtetijd van het jonge heelal en die te vergelijken met de kosmische achtergrondstraling.
En zo kunnen we uiteindelijk zicht krijgen op de aard en de oorsprong van de allereerste verstoringen die zich voordeden in het pas gevormde heelal. Dankzij ruimtesondes als COBE en WMAP van de NASA en Planck van de ESA beschikken we over steeds meer en steeds betere waarnemingsdata. Daarmee moet het mogelijk worden om die allereerste verstoringen te karakteriseren en te bestuderen hoe die vervolgens ten gevolge van de invloed van de zwaartekracht uitgroeiden tot de grote galactische structuren die we in het heelal van vandaag kunnen waarnemen.
De studie van de kosmische achtergrondstraling is als een rode draad in uw onderzoek, niet?
In elk kosmologisch onderzoek speelt ze een essentiële rol. Het is genoegzaam bekend hoe Penzias en Wilson in 1965 per toeval die reststraling van de Big Bang ontdekten, die was trouwens omstreeks het midden van de jaren 1940 door Robert Dicke, mijn promotor in Princeton, voorspeld. Volgens de oerknaltheorie was het extreem heet in het jonge heelal, maar door het expanderen ervan ging de temperatuur geleidelijk dalen. Intussen is de kosmische achtergrondstraling afgekoeld tot slechts 2,725 graden boven het absolute nulpunt. Die straling is bijgevolg onzichtbaar in zichtbaar licht, maar manifesteert zich voornamelijk in het microgolfdeel van het elektromagnetisch spectrum. Zoals de naam het stelt is het straling die in om het even welke richting van het universum dat we kijken op de achtergrond aanwezig is.
De theorie dat ons universum begon via een oerknal maakt het mogelijk om een verklaring te geven voor de kosmische achtergrondstraling en ook voor de aanwezigheid van de waargenomen hoeveelheden lichte elementen als waterstof en helium in het heelal, ook in de verhoudingen waarin we ze aantreffen. Maar toch waren er een aantal zaken waarvoor de theorie geen sluitende verklaring kon bieden. Om te beginnen is er het probleem dat volgens de meest recente metingen de geometrie van het heelal lijkt op die van een plat vlak, terwijl je volgend op de Big Bang zou verwachten dat de kromming van het heelal toeneemt met het verstrijken van de tijd. Dan is er het horizonprobleem: het feit dat de temperatuur van de achtergrondstraling overal waar we kijken in het ons omringende heelal precies dezelfde is, impliceert dat al die plaatsen in het verleden met mekaar in contact moeten geweest zijn. Maar alles ligt in het heelal zo ver uit mekaar dat er met de klassieke oerknaltheorie waarbij de ruimte gelijkmatig uitdijt geen verband kan zijn tussen al die ver verwijderde plaatsen. De tijd die het licht nodig heeft om al die plaatsen te bereiken overtreft immers de tijd dat het heelal bestaat. Een derde voorspelling van de oerknaltheorie is dat er in het begin veel deeltjes zouden ontstaan zijn met slechts één enkele magnetische pool, maar men heeft er nog geen enkel spoor van teruggevonden.
En om die problemen op te lossen bedacht Alan Guth samen met nog enkele vooraanstaande kosmologen de theorie van de kosmische inflatie?
Correct. Die theorie stelt dat er vlak na de oerknal een fase is geweest waarin het universum extreem snel en exponentieel expandeerde voorafgaand aan de meer geleidelijke uitdijing die daarop volgde. In die inflatieperiode werd het heelal gedomineerd door een soort vacuümenergie met een negatieve druk die zich vervolgens transformeerde in de straling en materie waarmee het hele universum gevuld is.
De inflatie was een fenomeen dat zich ongemeen snel en krachtig manifesteerde vlak na de oerknal, van 10-36 tot 10-33 seconde erna, en in die extreem korte periode nam het heelal zo’n 1078 keer toe in volume. Onvoorstelbaar! Met zo’n expansie als het heelal vlak na de oerknal onderging wordt de initiële kromming van het driedimensionale universum uitgestrekt tot iets dat zich als een plat vlak manifesteert. Ook het horizonprobleem kan met die theorie verklaard worden: omdat die exponentiële expansie in het prille heelal plaatsvond waren de regio’s die momenteel ver van mekaar verwijderd zijn toch nauw met mekaar verbonden vóór de inflatie. Op dezelfde wijze kan ook het vraagstuk van de ontbrekende magnetische monopolen verklaard worden: door de inflatie werden ze zodanig verspreid dat de dichtheid ervan teruggevallen is tot een niveau dat niet meer te detecteren valt. Bovendien is de inflatietheorie ook geschikt om het ontstaan van structuren in het universum te verklaren. Voordien was het stukje heelal dat we momenteel kunnen observeren microscopisch klein, maar tijdens de inflatie expandeerden kwantumfluctuaties in de materiedichtheid van microscopische tot astronomische schaal. In de loop van de daaropvolgende honderden miljoenen jaren condenseerden de gebieden met een hogere dichtheid tot sterren, sterrenstelsels en clusters van sterrenstelsels.
De eerste zogenaamde ‘babyfoto’ van het heelal werd gemaakt door de ruimtesonde COBE.
COBE was een missie van de NASA en de naam staat voor Cosmic Background Explorer. In 1992 publiceerde het wetenschappelijk team van COBE een overzichtsbeeld van de kosmische achtergrondstraling met daarin vlekken die staan voor warmere en koudere gebieden. De NASA stuurde tien jaar later een tweede sonde de ruimte in, de WMAP – de Wilkinson Microware Anisotropy Probe – om met betere instrumenten de kosmische achtergrondstraling in veel hogere resolutie in kaart te brengen. De resultaten die vanaf 2003 wereldkundig werden gemaakt waren spectaculair. Men kon de temperatuur van de microgolfstraling vaststellen op 2,73 kelvin, de ouderdom van het heelal werd bepaald op 13,7 miljard jaar, en men kon bevestigen dat hetgeen de inflatietheorie voorspelt klopt, namelijk dat het heelal niet gekromd maar wel vlak is.
En nu is er dus de Europese satelliet Planck waar ook u en uw team aan meewerkt?
Dat klopt, die sonde werd in mei 2009 gelanceerd en begon in augustus van datzelfde jaar met de eerste metingen van de achtergrondstraling. De Planck ruimtesonde voert waarnemingen uit van de hele hemelglobe met instrumenten die temperatuurverschillen tot op enkele miljoensten van een graad kunnen registeren en dit in negen golflengtes, van één centimeter tot een derde millimeter, dat loopt dus van microgolven tot ver infrarood. Met Planck zou het moeten mogelijk worden de dichtheid van de gewone materie te bepalen en zo te kunnen berekenen hoeveel atomen het zichtbare heelal bevat. Via Planck zal men ook proberen meer over donkere materie en donkere energie te weten te komen. Donkere materie mag dan wel onzichtbaar zijn, ze oefent in ieder geval zwaartekrachtsinvloed uit op de normale zichtbare materie en zou goed zijn voor zo’n 90% van de aanwezige materie in het heelal. Donkere energie staat voor een soort anti-zwaartekracht die verantwoordelijk zou zijn voor de versnellende uitdijing van het universum. Ten slotte is er ook nog de zoektocht naar zwaartekrachtsgolven uit de periode dat de kosmische inflatie plaatsvond. Zwaartekrachtsgolven vervormen de ruimtetijd en dragen informatie mee over in welke omstandigheden ze ontstaan zijn. Als Planck dergelijke zwaartekrachtsgolven zou detecteren, zouden die een heel sterk bewijs leveren dat de inflatie niet louter een goed theoretisch model biedt, maar een fysische realiteit is.
Ondertussen werden er al meetresultaten van Planck bekend gemaakt.
Inderdaad, begin januari 2011 was er in Parijs een meeting waarop de eerste wetenschappelijke resultaten van deze ruimtemissie werden voorgesteld. Sinds augustus 2009 werden er al veel data verzameld, maar het blijft hoe dan ook een voortdurend leerproces hoe daar het maximum aan informatie uit te halen.
Planck ontdekte sterrenstelsels helemaal verborgen in het stof op miljarden lichtjaren van hier en waar het ontstaan van sterren aan een tien tot duizend keer hoger tempo gebeurt dan in ons eigen sterrenstelsel. De ruimtesonde maakt het ook mogelijk om een beter zicht te krijgen op ver verwijderde clusters van sterrenstelsels, op de beelden van Planck zijn ze te zien als compacte silhouetten tegen de kosmische achtergrondstraling. Er werden trouwens ook nieuwe galactische clusters ontdekt. Omdat de hele sterrenhemel wordt gescand is het mogelijk de zwaarste clusters te identificeren, hetgeen interessant is om zicht te krijgen op hoeveel materie het universum bevat en hoe snel het uitdijt. Uiteindelijk zal Planck ons een beeld tonen van hoe in het jonge heelal de allereerste structuren ontstonden waaruit zich later sterrenstelsels zouden vormen. Die structuren zijn terug te vinden in de achtergrondstraling die 380.000 jaar na de oerknal vrijkwam toen het heelal voldoende was afgekoeld zodat het licht zich in alle richtingen kon verspreiden.
Nu is het wel niet zo eenvoudig om die straling meteen in beeld te brengen op basis van de door Planck verzamelde gegevens omdat er in het signaal veel voorgrondruis zit die eerst moet verwijderd worden. Die diffuse ruis is grotendeels afkomstig van allerlei soorten objecten die zich situeren in de dichtere stofzones van ons eigen sterrenstelsel. Tot voor kort was de oorsprong ervan niet goed begrepen, maar door het brede spectrum waarbinnen de ruimtesonde microgolven bestudeert kan afgeleid worden dat die diffuse gloed hoogstwaarschijnlijk afkomstig is van stofkorreltjes die ten gevolge van botsingen met opgezweepte atomen of ultraviolet fotonen waanzinnig snel rond hun as draaien. Door dit mechanisme te begrijpen wordt het mogelijk om die lokale microgolfstraling weg te filteren uit de gegevens van Planck, en zo blijft er een zuiver beeld van de eigenlijke kosmische achtergrondstraling over.
Intussen gaat Planck rustig door met het minutieus in beeld brengen van de hele sterrenhemel. In januari 2013 worden er opnieuw resultaten naar buiten gebracht, waarbij o.a. een beeld van de kosmische achtergrondstraling zal vrijgegeven worden dat veel gedetailleerder zal zijn dan de gekende beelden van de WMAP.
Krijgt u de waarnemingsgegevens op maat toegeleverd in functie van hetgeen voor uw onderzoek relevant is of zijn het de ruwe gegevens die beschikbaar gesteld worden aan de betrokken onderzoeksteams?
In principe hebben alle teams toegang tot alle gegevens, maar er wordt inderdaad gebruik gemaakt van een informaticasysteem dat voor een soort verdeling van data zorgt. Er is natuurlijk een bepaalde termijn waarbinnen de wetenschappers van de betrokken instellingen exclusief toegang hebben tot de verzamelde data, zij kunnen daar dan de informatie uitpikken die hen opportuun lijkt. Maar aangezien het bijna altijd gaat om enorme hoeveelheden data die door de beschikbare onderzoekers onmogelijk binnen de gestelde termijnen exhaustief bestudeerd kunnen worden, komt dat materiaal op een bepaald moment ter beschikking van alle andere potentieel geïnteresseerden die daar dan op hun beurt onderzoek op kunnen verrichten. De belastingbetaler moet al genoeg betalen voor dit soort wetenschappelijke projecten, en daarom is het ook wel noodzakelijk dat er een maximum aan resultaten geboekt wordt.
U bent hoofd van de onderzoeksgroep kosmologie aan het Parijse Laboratoire de Physique Théorique d’Orsay. Kan u dit gerenommeerde instituut kort even voorstellen?
Het is een onderzoeks- en onderwijsinstelling die resulteert uit een samenwerking van het Centre national de la recherche scientifique (CNRS) en de Université Paris-Sud XI, en dit voornamelijk op het vlak van deeltjesfysica, statistische en wiskundige fysica en kosmologie. Er wordt onderling trouwens zeer nauw samengewerkt, omdat een aantal onderwerpen zich binnen meerdere van die onderzoeksdomeinen situeren. Onze kosmologiegroep bestudeert verschillende thema’s met als doel de gangbare ideeën op het vlak van theoretische fysica te toetsen aan de waarnemingen en experimenten die uitgevoerd worden in het kader van het actuele onderzoek van het pas ontstane heelal.
Zoals eerder gesteld werken we met een aantal onderzoekers op de ruimtemissie Planck, en daarnaast zijn er nog een resem satellieten waarvan we in ons team gegevens ontvangen om meer inzicht te verwerven over de werking van supernova’s en over de aard van donkere materie en donkere energie. Voorts zijn we betrokken in het onderzoek naar zwaartekrachtsgolven, naar neutrino’s en naar kosmische straling. Het merendeel van onze mensen komt overigens eerder uit de wereld van de hoge-energiefysica dan wel uit de sterrenkunde.
Hoe bent u hier in Parijs terechtgekomen?
Ik was als docent verbonden aan het Department of Applied Mathematics and Theoretical Physics van de universiteit van Cambridge in het team van Stephen Hawking toen ik door het CNRS gerekruteerd werd. Ik was gecharmeerd door het aanbod omdat ik zo de kans kreeg om deel uit te maken van een prestigieus instituut en daar de krachtlijnen te kunnen uitzetten van het kosmologisch onderzoek dat er verricht wordt. Daarnaast vond ik het een aantrekkelijk idee om ondergedompeld te worden in de Franse cultuur.
U hebt ervaring met de academische wereld in de Verenigde Staten, in Engeland en nu in Frankrijk, is er veel verschil tussen de universiteiten in die verschillende landen?
Persoonlijk heb ik nooit veel moeilijkheden ondervonden om me aan te passen, maar er is zeer zeker een groot verschil merkbaar. Ik ben opgegroeid in de VS en ben dus grotendeels in die cultuur geworteld. Het is misschien daarom dat in mijn zienswijze de manier waarop universiteiten in Amerika functioneren wel een aantal voordelen heeft in vergelijking met hoe het er in Europa aan toe gaat. In de VS zijn er ongeveer evenveel universiteiten en hogescholen als in Europa, maar het toponderzoek wordt er geconcentreerd in een beperkt aantal universiteiten die over zowat twee derde van het budget voor onderzoek kunnen beschikken. Met als gevolg dat die instellingen steeds in de top van de zogenaamde rankings te vinden zijn. In Europa verloopt de financiering van de universiteiten meer gelijkmatig en doen ze ook allemaal aan onderzoek, weliswaar op een bescheidener niveau. Maar de beleidsmakers in Europa willen daar verandering in brengen en hebben de neiging om het Amerikaanse voorbeeld als een na te streven model te zien. Ook zij opteren ervoor om het onderzoek te concentreren in slechts enkele topuniversiteiten, opdat die op het vlak van wetenschappelijk onderzoek zouden kunnen concurreren met de rest van de wereld. In Engeland is men die weg al volop ingeslagen. In Frankrijk is er daar veel controverse rond. Men wil wel ten dele evolueren naar zo’n systeem met concurrentie tussen de verschillende instellingen, maar dat is niet makkelijk te realiseren. Er is een sterke lokale verankering in Frankrijk en bovendien ook een heel sterke syndicale mentaliteit die soms wel verlammend werkt. Bovendien wil men proberen een aantal universiteiten te fusioneren, maar ik ben er niet van overtuigd dat dit tot betere universiteiten zal leiden. Afwachten maar hoe het hier verder zal evolueren.
Bedankt voor het interview, mijnheer Bucher, en in ieder geval veel succes met uw verdere onderzoeksprojecten.