“Intelligentie is van bijkomend belang voor het onderzoek” Understand article

Vertaald door Roland Van Kerschaver. Kan je een sporter zijn met wereldklasse en ook deel uitmaken van een team dat de aard van ons Heelal wil doorgronden? Ja dat kan, vraag het maar aan Tamara Davis. Henri Boffin van ESO sprak met haar in Kopenhagen (Denemarken).

Figuur met dank aan H. Boffin /
ESO

Tien jaar gelden, ontplofte een ‘bom’ in de astronomie: omwille van nieuwe waarnemingen, had het geldende standaard model van het Heelal afgedaan en werd het vervangen door nieuwere ideeën (zie Landua & Rau, 2008, voor een discussie van het standaard model).

Volgens het meest aanvaard model over de vorming van het Heelal, de Big Bang theorie, begon het Heelal als een zeer hete en dichte toestand en was het sindsdien steeds aan het uitdeinen (zoals beschreven door Peebles in 2001). Een bewijs voor deze expansie werd in 1929 gegeven door de Amerikaanse astronoom Edwin Hubble, die aantoonde dat de snelheid waarmee een sterrenstelsel van ons weg beweegt evenredig is met de afstand ervan tot de Aarde. Dit is gekend als de wet van Hubble.

De recentste waarnemingen tonen dat deze expansie, in plaats van af te nemen, zoals we zouden verwachten als de gravitatie de enige aanwezige kracht zou zijn, voor het ogenblik aan het versnellen is. Sterrenstelsels zijn van elkaar weg aan het bewegen met een steeds toenemende snelheid (zie bijvoorbeeld, Leibundgut & Sollerman in 2001).

“Astronomen kwamen daarom op de proppen met het idee van de donkere energie, welke de naam is die we geven aan de mysterieuze oorzaak van de versnelling van het Heelal,” zegt de astronoom Tamara Davis. “We weten voor het ogenblik nog niet wat dat is. Het zou best een soort materie kunnen zijn dat antigravitatie-eigenschappen heeft, zodat in dat geval deze bizarre stof meer dan 70% van de energie zou kunnen uitmaken in ons Heelal. Maar het kan even goed zo zijn dat onze gravitatietheorie nog niet volledig af is, zoals vroeger ook de theorie van Newton uitgebreid moest worden met de theorie van Einstein over de algemene relativiteit.”

We kennen echt alleen
ongeveer vijf procent van
hetgeen waaruit het Heelal
bestaat – donkere materie en
donkere energie zijn nog
altijd het onderwerp van
intens onderzoek. Klik op de
afbeelding om te vergroten

Figuur met dank aan L. Calçada
/ ESO

Now that astronomers also have evidence that 25% of the Universe is made of an unknown form of matter (as described in Warmbein, 2007) – dark matter – we only really know about approximately 5% of our Universe. This certainly calls for a degree of modesty!

Nu dat de astronomen er ook van overtuigd zijn dat 25% van het Heelal bestaat uit een onbekende vorm van materie (zoals beschreven in Warmbein, 2007) – de donkere materie – kennen we slechts ongeveer 5% van ons Heelal. Dit roept zeker op tot meer bescheidenheid!

Tamara werkt aan het Donkere Kosmologie Centrum in Kopenhagen, in Denemarken, en vormt een team met wetenschappers van over gans de wereld in een ruim samenwerkingsverband dat niet zoveel verschillend is van dit dat nu de cruciale vragen bestudeert in de deeltjesfysica. Tamara maakt deel uit van ESSENCE w1, dat supernovae bestudeert om zo de donkere energie beter te verstaan. Ze begon te werken aan dit verbazend onderwerp toen ze verhuisde naar de Australische Nationale Universiteit en het Mount Stromlo Observatorium in 2003, na het beëindigen van haar doctoraat aan de Universiteit van Nieuw Zuid Wales, in Australië. “Ik had heel veel geluk om te kunnen samenwerken met een echt inspirerende wetenschapper, Brian Smidt, die een van de wetenschappers is die ontdekte dat de expansie van het Heelal aan het versnellen is.”

Een manier om de eigenschappen van donkere energie te bepalen bestaat erin de afstanden en snelheden van ver verwijderde lichtbronnen te meten en te berekenen hoeveel het Heelal expandeerde in de loop van de tijden. Daarvoor observeren astronomen vooral exploderende sterren van het type Ia supernovae (zoals beschreven in Székely & Benedekfi in 2007). De meest verre waargenomen supernovae zijn op zo’n afstand gelegen dat ze reeds ontploften voordat de Aarde zelfs gevormd was. Hun licht was dan ook al aan het bewegen door de ruimte naar ons toe voordat onze Zon begon te schijnen – en daarbij mag niet uit het oog verloren worden dat gezien licht beweegt met een eindige snelheid, ver weg kijken neerkomt op terug in de tijd zien.

Steeds sinds de Big Bang, is
het Heelal aan het uitzetten –
en met een toenemende
snelheid. Klik op de
afbeelding om te vergroten

Figuur met dank aan L.
Calçada / ESO

Omdat ze zich zover weg bevinden, bereikt er ons zeer weinig licht van, zodat zulke waarnemingen alleen kunnen gedaan worden met de sterkste telescopen, zoals de Zeer Grote Telescoopw2 (zie Pierce-Price, 2006, voor een beschrijving van het werken met die telescoop), of de Keckw3 en Geminiw4 telescopen – die zich allen in afgelegen gebieden bevinden met klimatologische omstandigheden die zeer geschikt zijn voor waarnemingen met een telescoop (nagenoeg geen wolken, nagenoeg geen waterdamp en een ijle atmosfeer).

Door het waarnemen van een groot aantal supernovae in een groot bereik van afstanden, en hun afstanden en snelheden te meten, is het mogelijk na te gaan hoe de expansie van het Heelal veranderde in de loop der tijden.

ESSENCE bestaat uit een groep van ongeveer 30 onderzoekers van overal op de wereld, die samenwerken om ver verwijderde supernovae te ontdekken zodat deze zouden kunnen gebruikt worden om de versnelling van het Heelal en de donkere energie beter te doorgronden. Tamara heeft de veeleisende taak om te trachten te achterhalen wat die metingen aan supernovae ons nu weten te vertellen. Nadat ze haar deel van de waarnemingen gedaan heeft, laat ze anderen in het samenwerkingsverband de ruwe beelden van de supernovae omzetten in informatie over hun afstanden en snelheden. Ondertussen, bestudeert ze de verschillende theorieën over donkere energie en wat ze voorspellen over het gedrag van de supernovae. Wanneer de waarnemingen klaar zijn, is het haar job om de data te vergelijken met de theorieën en te achterhalen wat het best werkt.

“Verreweg wat ik het liefst doe met sterrenkunde is het waarnemen met de grote telescopen, speciaal met deze die zich bevinden in Chili. Gebruik maken van ruimtetelescopen [die de vervagende en absorberende effecten van de atmosfeer van de Aarde elimineren] is ook zeer “cool”, maar je hebt er zelf geen controle over. Nu is het zo dat omgaan met telescopen in de Chileense Andes, zoals de Zeer Grote Telescoop, een verbijsterende ervaring is. Het reizen door Zuid Amerika, de bus te nemen ergens in een wilde, godvergeten woestijn en dan een enorme telescoop te zien opdagen aan de horizon is net iets uit een science fiction film. Als je er dan echt bent, heb je een precisiemachine met de omvang van een gebouw in handen die gehoorzaamt aan je bevelen. Het is fantastisch!”

Tamara was niet alleen aan de slag met telescopen in de Chileense Andes, maar ook bij haar thuis in Australië, zat ze ook veel in de buurt van telescopen en beleefde ze leuke momenten. Eens kon ze het gebouw van een telescoop niet binnen of buiten omdat een kudde kangoeroes aan de ingang aan het grazen was.

De supernova
ontdekkingstelescoop (CTIO
Blanco 4-m) prachtig
omringd door de twee
Magelaanse wolken (enkele
van onze dichtste galactische
buren) aan de linkse kant en
onze eigen Melkweg
sterrenstelsels aan de
rechtse kant

Figuur met dank aan Roger
Smith / NOAO / AURA / NSF

Maar ook de ruimte verliest Tamara niet uit het oog. In Kopenhagen, maakt ze deel uit van een groep die voorstelt een ruimtestation te bouwen met de naam SNAP, de SuperNova Acceleration Probew5. SNAP is ontworpen om de expansie te meten van het Heelal en om de aard te bepalen van de mysterieuze donkere energie dat die expansie versnelt. “Ik hou ervan de mensen te vertellen dat een deel van mijn job het bouwen van een ruimteschip is,” grapt ze.

Maar waar gaat het echt allemaal over? “We trachten de fundamentele bouwstenen van ons Heelal te verstaan en ook te weten te komen hoe de wetten van de fysica werken. De vorderingen in kennis en technologie die mogelijk worden door dit werk zullen echt overdonderend zijn, alhoewel het omzetten van dit fundamenteel onderzoek in praktische toepassingen een lange tijd in beslag kan nemen. Hedendaagse theorieën leggen niet uit wat die donkere energie is, maar ze zijn flexibel genoeg om dat ooit mogelijk te maken.

“Het meest opwindend voor mij is dat de versnelling van de expansie van het Heelal uitleggen, met de meest veelbelovende theorieën, vereist dat gravitatie- en kwantumtheorie, de fysica van het zeer grote en deze van het zeer kleine, moeten samensmelten tot één theorie. Ik hou van het met elkaar verbonden zijn van alles in de natuur en voel me goed wanneer ik me realiseer dat de fysica van de kleinste deeltjes, die het mogelijk maakt dat er mensen bestaan, invloed heeft op de fysica van het ganse Heelal op z’n grootste schaal. Is dat geen verademing voor de geest?”

Volgens Tamara en veel van haar collega’s, is het zeker dat de donkere energie bestaat. “Als het alleen de supernovae zouden zijn die wezen naar de geldigheid van dit ongewoon idee, zou het gemakkelijk zijn te suggereren dat we wellicht iets over het hoofd gezien hadden bij de waarnemingen, dat we ergens een fout gemaakt hadden. Maar sinds de oorspronkelijke ontdekking, hebben zich meer en meer bewijzen opgestapeld komend van compleet verschillende waarnemingen, en die allen het bestaan van de donkere energie vereisen .”

De kosmische microgolf achtergrondstralingw6 (de nagloei achtergebleven van de Big Bang), waarnemingen van clusters van sterrenstelsels, metingen van baryonische akoestische oscillaties (het patroon van sterrenstelsels in de hemel), zwakke en sterke gravitatielenzen (voor een beknopte beschrijving van gravitatielenzen, zie Jørgensen in 2006). Al deze zeer van elkaar verschillende metingen, die heel verschillende soorten fysica bestrijken, brengen ons tot de conclusie dat de expansie van het Heelal niet kan uitgelegd worden zonder donkere energie (zie Peebles, 2001).

Ultimate Frisbee
Figuur met dank aan Adam
Ginsburg; bron: Wikimedia
Commons

Men zou kunnen denken dat het najagen van deze queeste niet veel tijd zou overlaten voor iets anders dan wetenschap. Maar wat Tamara bereikt heeft ligt verder dan fysica. Als doctoraal student, werd ze twee jaar verkozen als lid van het bestuur van de sportvereniging van de universiteit, zorgend voor sport voor meer dan 30000 studenten. Ze was actief op nationaal niveau in niet minder dan zes sporten. Ze is een ski instructeur, coach voor turnen en redder bij het surfen.

Op de wereldkampioenschappen Ultimate Frisbee in Duitsland in 2000, vertegenwoordigde Tamara haar land voor de eerste keer en bleef ze sindsdien een spelend lid van het Australische team. Als vicekapitein heeft ze met dit team een vijfde plaats behaald op de wereldkampioenschappen in Finland. Ultimate Frisbee is een teamsport dat gespeeld wordt met een frisbee op een rugbyveld (zonder doelpalen). Bij Ultimate Frisbee heeft men geen scheidsrechter: de spelers melden zelf hun begane fouten, en daarom is fair play en vertrouwen in de tegenpartij van zo’n vitaal belang. Door de spelers wordt na ieder tornooi gestemd om te bepalen welk team het eerlijkst speelde. Ook al is het zeer competitief toch won het team van Tamara de “fair play” prijs op beide wereldkampioenschappen, en dat is een opmerkelijke prestatie.

Met zulk een liefde en inzet voor fysica en sport, is het misschien niet verwonderlijk dat Tamara eraan denkt een astronaut te worden. Spijtig genoeg is dat geen gemakkelijke zaak als je geen Amerikaan bent, maar gezien Tamara ook een Canadees staatsburger is, heeft ze bedoeling om haar kandidatuur te stellen van zodra het Canadees Ruimte Agentschap een vacature aankondigt. Intussen, gezien het er niet inzit dat ze astronaut wordt, blijft astronomie het tweede beste voor haar. Deze beslissing werd beïnvloed door een bijzonder geïnspireerde leraar fysica van het secundair onderwijs. “Hij was een amateurastronoom en kocht een kleine telescoop voor de school welke we ´s nachts konden gebruiken. Hij nam ook enkelen van ons mee op een astronomieweekend dat onvergetelijk was omdat het de eerste keer was dat ik kennis maakte met relativiteit. Ik had het goed zitten.”

Tamara gelooft dat er echt niet zoveel nodig is om goed te zijn voor wetenschappen, alleen een natuurlijke verwondering voor de wereld rondom jezelf en belangstelling voor het uitcijferen hoe het werkt is voldoende. “Ik heb geleerd dat intelligentie van bijkomend belang is voor het onderzoek. Belangstelling en inspiratie zijn heel wat betere aanwijzingen om te voorspellen of iemand succes zal hebben in een wetenschappelijk loopbaan,” geeft ze als commentaar.

De belangstelling van Tamara eindigt niet bij donkere energie. Een deel van haar research gaat over enkele nogal gedurfde topics, die ondermeer aantonen dat het Heelal sneller kan uitzetten dan de lichtsnelheid, dat de lichtsnelheid niet constant kan zijn en dat het snel verschijnen van leven op de Aarde suggereert dat leven in het Heelal iets heel gewoontjes is.

Ze geeft ook les aan de universiteit, iets waar ze heel veel van houdt. “Ik veronderstel dat dit komt doordat ik danig opgewonden ben over wat ik bestudeer dat het een echte beloning blijkt te zijn voor mij om dat enthousiasme aan anderen te kunnen doorgeven. Ik hou ervan erbij te zijn op het ogenblik dat iemand erin slaagt een complex begrip te vatten, of dat “wow” moment te zien wanneer ze iets leren waar ze voordien nog nooit over hoorden.”

Download

Download this article as a PDF

References

Web References

  • w1 – Voor meer informatie over ESSENCE (Equation of State:SupEr Novae trace Cosmic Expansion), de samenwerking om supernovae eventueel te vinden verdeeld over het bereik van de roodverschuiving, zie: www.ctio.noao.edu/wproject
  • w2 – Voor meer informatie over ESO (het Europees Zuidelijk Observatorium) en zijn educatieve projecten, bezoek: www.eso.org/outreach/eduoff
  • w3 – De website van het Keck Observatorium in Hawaï, VSA: www.keckobservatory.org
  • w4 – De website van het Gemini Observatorium: www.gemini.edu
  • w5 – De SNAP website: http://snap.lbl.gov
  • w6 – De Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) is een NASA Explorer missie die een hoop precieze en accurate kosmologische informatie oplevert. WMAP geeft ons de eerste kaart van de volledige hemel voor microgolven. WMAP meet kosmische microgolf achtergrondstraling – het overblijvend licht van de Big Bang, verschoven naar de golflengten van de microgolven te wijten aan de expansie van het Heelal. Voor meer informatie over WMAP, zie: http://map.gsfc.nasa.gov

Resources

Institution

ESO

Review

Twee onderwerpen helpen jonge mensen over de streep om fysica te studeren: de fundamentele vragen over hoe het Heelal aan z’n vlekken geraakte (zoals Levin in 2003), en astronomie. Geen van twee kan terugvinden in de curricula van een klassieke secundaire school, maar dit artikel heef van beide een beetje. Leerlingen zullen waarschijnlijk het zeer interessant vinden dat de studie van supernovae met telescopen kan helpen bewijzen dat het standaard model van de kosmologie juist (of niet juist) is.

Daarenboven, zijn er nog veel leerlingen van de secundaire school uit niet-wetenschappelijke afdelingen die nog altijd denken dat fysici houterige nerds zijn die meer autistisch dan normaal zijn, of gebaarde mannetjesputters met brillen (of, in het onwaarschijnlijk geval dat ze een vrouw zijn, zeker geschifte muurbloempjes met geen leven buiten het labo) die in eenzaamheid werken, nooit het licht van de dag ziende. De beschrijving van een echte fysicus, doe de leerlingen zouden willen ontmoeten, er mee werken, en zelfs nabootsen, is wenselijk. Daarenboven kan de job die Tamara heeft die gepaard gaat met internationale samenwerking, reizen naar exotische plaatsen en spelen met megaspeelgoed, wellicht wel leerlingen overtuigen dat een carrière als fysicus echt interessant kan zijn, misschien zelf uitdagend of plezierig.

Leraars kunnen dit artikel gebruiken om een discussie op gang te brengen over:

  • Hoe wetenschap vooruit gaat door experimenten te doen, en hoe ideeën veranderen en theorieën moeten worden aangepast (Copernicus, Newton, Einstein…)
  • De rol van centrale faciliteiten en international samenwerking
  • Het gebruik van ruimtetelescopen om de atmosferische interferentie te elimineren in de astronomie
  • Dingen die we nog niet kennen of niet volledig verstaan
  • De waarde (of niet) van het doen van dit soort fundamenteel werk
  • Stereotypes, karikaturen en vastgeroeste ideeën.

Het kan ook gebruikt worden als verrijkingsleerstof bij het bestuderen van de lichtverstrooiing in de atmosfeer, of als basis voor onderzoek door de leerlingen over hoe fysici de afstand bepalen van de sterren en hoe sterren bewegen ten opzichte van de Aarde.

Samenwerking met de kunstafdeling kan leiden tot enkele interessante voorstellingen van supernovae, en de verbeelding zou zelfs verder kunnen geprikkeld worden door na te denken over hoe het Heelal er uit zou gezien hebben wanneer een zeer ver afgelegen supernova ontplofte.

Om te besluiten, kunnen de leerlingen berekenen hoe ver het licht van een vergelegen supernova zich van de Aarde bevond op het ogenblik dat de Aarde gevormd werd, of wanneer er op de Aarde dinosaurussen rondliepen, hun antwoord (bijvoorbeeld) gevend in veelvouden van de afstand naar Alfa Centauri.


Halina Stanley, Frankrijk




License

CC-BY-NC-ND