Heino Falcke, Licht in de duisternis (2020)
Dit boek beschrijft de zoektocht om een afbeelding te maken van een zwart gat. De sterrenkundige Heino Falcke, heeft dit kunnen doen samen met een groot aantal wetenschappers over de hele wereld. Het beeld van het zwarte gat werd in 2019 voor het eerst getoond en komt uit het hart van het sterrenstelsel Messier 87, 500 biljoen (12 nullen!) kilometer bij ons vandaan.
Een zwart gat is een uitdovende ster die door zijn toenemende massa als gevolg van de zwaartekracht steeds verder in elkaar wordt gedrukt, waardoor de ster de lege ruimte lijkt te krommen. De energie die daarbij vrijkomt, is zo groot dat alles wat in de buurt van het gat komt, naar binnen wordt gezogen. Die energie laat een rand van geel-rood licht zien rond het gat. Het zwarte gat staat symbool voor het alles verslindende niets en voor dat wat totaal buiten onze waarneembaarheid valt, haast vergelijkbaar met de hel.
Het boek maakt op boeiende wijze duidelijk hoe er steeds meer bekend werd over de kosmos door de toenemende kennis van de natuurkunde (en wiskunde) en door de steeds betere apparatuur. Het is fascinerend om te lezen wat er allemaal te zien is in de kosmos en welke wetten hierbij een rol spelen. Je krijgt bewondering voor de wetenschap maar ook voor de manier waarop de kosmos functioneert. Tegelijk laat het boek zien tegen welke grenzen de wetenschap aanloopt, wat bijvoorbeeld bij het zwarte gat duidelijk wordt: wat daarbinnen gebeurt, is natuurkundig niet te meten. Hoe meer kennis wetenschappers vergaren, hoe duidelijker het wordt hoeveel ze niet weten en soms ook niet kunnen weten.
Het 3e deel vond ik wat vermoeiend en een te uitvoerige beschrijving van wat er gedaan is om tot het beeld van het zwarte gat te komen. In het laatste hoofdstuk beschrijft Falcke die zelf een vooraanstaand wetenschapper is, een op voor mij zeer aansprekende manier hoe hij gelooft in God die oorzaak en doel van de schepping is en als persoon een relatie met die schepping en de mens aangaat. In dit stuk wil ik een overzicht geven van de inhoud van het boek.
Licht, tijd en ruimte
In ons zonnestelsel maar ook op aarde meten we afstanden met behulp van de snelheid van het licht, de afstand tot de maan bijvoorbeeld wordt uitgedrukt in lichtseconden. De lichtsnelheid is ook bepalend voor onze tijdmeting. Licht heeft geen massa, is pure energie, niets beweegt sneller dan het licht. De formule E = mc² geeft eigenlijk aan dat energie massa is en massa energie. Materie en licht zijn allebei energie en kunnen in elkaar overgaan. Bovendien heeft licht een dubbel karakter: het is een golf of een deeltje, afhankelijk van de manier van meten. Atomen en moleculen worden bijeengehouden door atoomfysica en elektromagnetische krachten, dezelfde krachten waar ook licht uit bestaat. We meten altijd met licht. Het meten in de kwantumfysica is problematisch: een deeltje kan zich overal bevinden tot het gemeten wordt maar door het meten wordt het deeltje niet alleen vastgelegd maar verandert het ook. Licht kan tijd en ruimte beïnvloeden. De algemene relativiteitstheorie van Einstein bracht zwaartekracht, ruimte en tijd bijeen in één theorie. Om het visueel voor te stellen: als je een beddenlaken aan vier punten strak spant en er een golfbal op laat rollen dan zal het laken vanwege de zwaartekracht in het midden doorzakken, waardoor vanwege de kromming het laken langer wordt. De ruimte verandert, maar uiteindelijk ook de tijd. Zwaartekracht en versnelling blijken niet van elkaar te onderscheiden. Zwaartekracht is een meetkundige uitdrukking van de ruimtetijd. Door de zon wordt de ruimte daaromheen gekromd waardoor het licht een langere weg aflegt en dus ook de tijd langer duurt omdat de lichtsnelheid gelijk blijft.
Astronomie
De zon is de grootste ster in ons zonnestelsel en door zijn enorme massa en zwaartekracht houdt hij ons planetenstelsel bij elkaar. De zon is een enorm hete gasbol waarbij waterstof in helium wordt omgezet door kernfusie. De zonnewarmte maakt leven op aarde mogelijk. De zon verbrandt zijn eigen massa maar doet dit zeer efficiënt en zal waarschijnlijk pas over 5 of 6 miljard jaar doven. Sterren hebben een vaste plek aan de hemel maar planeten draaien banen om de zon, afhankelijk van hun afstand tot de zon. Mercurius staat het meest dichtbij (60 miljoen km), Neptunus het verst weg ( 4,5 miljard km, dat is 4 lichtuur). Aan onze hemel bewegen alle planeten en ook zon, maan en onze aarde zich door dezelfde strook, een soort planetenbaan die ecliptica wordt genoemd. Omdat de planeten op verschillende afstand van de zon staan, draaien ze met verschillende snelheid om de zon waarbij middelpuntvliedende kracht en aantrekkingskracht in evenwicht zijn. ’s Nachts bij een heldere hemel (maar zonder aardse lichtvervuiling) kun je de Melkweg zien, een lichtgevende sluier van talloze sterren, soms duizenden lichtjaren ver weg (een lichtjaar is de afstand die het licht in 1 jaar aflegt). Lang dacht men dat ons zonnestelsel het centrum van de Melkweg is. Uiteindelijk wist Hubble door meting van de afstand tot een ster in de Andromedanevel te berekenen, dat die buiten ons melkwegstelsel ligt. Er zijn dus veel melkwegstelsels. De zon draait zelf rond het centrum van de Melkweg.
Het Ptolemeïsche wereldbeeld met de aarde als centrum van de kosmos, werd rond 1500 vervangen door een modern wereldbeeld. Het gaat dan om geleerden als Copernicus die een nieuw wereldbeeld ontwierp met de zon als centrum, Keppler die wetten formuleerde over planeten die in een ellips om de zon draaien, Newton die met de wet van de zwaartekracht de klassieke mechanica grondvestte.
Sterren en zwarte gaten
Sterren hebben een zeer lange levensduur maar sterven uiteindelijk, storten ineen waarbij ze deeltjes en gaswolken uitstoten. Planeten ontstaan in de draaiende stofwolken om een sterrenembryo. Hoe meer materie zich gaat samentrekken, hoe sneller de draaiing, zeker naarmate de afstand tot de ster kleiner wordt. Ze worden nooit zo heet dat kernfusie ontstaat. Ze groeien door stof in zich op te nemen, uit de baan waarin ze vliegen. Hemelstof heeft de aarde bereikt met waterstof en andere organische moleculen en zo leven mogelijk gemaakt. Sterren waarbij de brandstof opraakt, klappen in elkaar. Sterren zo groot als de zon of nog groter stoten dan gas en sterrenplasma het heelal in. Op die manier ontstaan kleurrijke planetaire nevels. Zo’n ster dooft uit in een gigantisch vuurwerk. Door de druk ontstaat uit de kern een neutronenster maar de rest implodeert. Deze galactische explosie wordt supernova genoemd. De grootste sterren zijn 25 keer zo zwaar als de zon. Als deze sterren uitdoven, ontstaat een neutronenster waarvan de massa zo zwaar is dat hij ineenstort tot een punt (die in werkelijkheid niet lijkt te bestaan), alleen in de wiskundige vergelijkingen. Maar de ruimte zelf lijkt op deze plek eindeloos uit te dijen, de ruimtekromming wordt eindeloos groot. Binnen die ruimte lijkt de tijd niet te bestaan. Alles wat in de buurt van die ruimte komt, ook het licht, dat als in een draaikolk naar binnen wordt gezogen, kan er niet meer uit. Dit is een zwart gat waarvan Einstein aanvankelijk dacht dat het niet zou kunnen bestaan.
Quasars en Oerknal
Doordat bij lichtmeting veel sterrenstelsels in het rood kleurden moesten ze zich van ons af bewegen: het heelal dijt uit, volgens de wet van Hubble-Lemaître. Op grond van die wet konden nu de afstanden tot de verst weg gelegen sterrenstelsels worden gemeten, miljarden lichtjaren. De consequentie is dat er een beginpunt moet zijn, de oerknal. Toen de kosmische radiostraling werd ontdekt, kon met radiotelescopen een veel brede elektromagnetisch lichtspectrum worden gemeten dan met optische telescopen. Uiteindelijk werd een lichtbron ontdekt die zeer helder was maar zover weg stond dat het op een ster leek maar geen ster kon zijn, quasi stellair ofwel quasar. Door de sterke wisseling in lichtsterkte zou hij wel relatief klein zijn en heel veel energie opwekken. De massa en dus zwaartekracht die nodig is om zo’n gigantisch hemellichaam bij elkaar te houden is gelijk aan die van 11 miljard zonnen. Dit moest wel een zwart gat zijn. Al het stof en gas dat binnen de zwaartekracht van het zwarte gat komt, wordt met zoveel kracht in een maalstroom naar binnen gezogen dat het gas door magnetische wrijving verhit wordt en licht gaat uitstralen en een deel wordt in een gloeiende reuzenstraal het heelal ingespoten als ‘jets’, lichtstrepen die radiostraling uitzenden. Toen een kosmische achtergrondruis ontdekt werd, bleek dit nauwkeurig overeen te komen met een ondoorzichtig zwart net dat de hemel omspant. De ontdekking van de microgolven die het achtergrondgeruis produceren heeft het doorslaggevende bewijs geleverd voor de theorie van de oerknal.
Sterrenstelsels zijn niet gelijkmatig over het universum verdeeld maar kruipen vaak in grote hopen bij elkaar, de zwaarste zakken naar het midden van de sterrenhoop. Evenals sterrenstelsels bewegen melkwegstelsels zich kriskras door elkaar, bijeengehouden door de zwaartekracht. Door hun snelheid zouden ze uit elkaar moeten vliegen maar omdat dat niet gebeurt moet er zwarte materie zijn die de boel bij elkaar houdt. Slechts 5% van alle materie in het heelal is materie die wij op aarde kennen. De mens en de soort materie die wij kennen vormen in het heelal een buitenbeentje.
Informatieparadox
Bij het zwarte gat komen eigenlijk de relativiteitstheorie van Einstein en de kwantummechanica samen. Beiden zijn fundamenteel voor onze wereld. De relativiteitstheorie gaat over de kosmos. In de ruimtetijd speelt zich ons leven af en het schouwspel van het hele universum waarbij alles zijn vaste plaats en tijd heeft. De kwantumtheorie gaat over het allerkleinste, de opbouw van materie, moleculen, atomen en elementaire deeltjes. Maar daar heeft alles niet zijn juiste plaats en tijd. De bouwstenen van het licht, de fotonen maken het mogelijk de ruimtetijd te meten. Deeltjes kunnen zich moeiteloos op twee plaatsen bevinden. Aan de randen van de zwarte gaten botsen beide theorieën frontaal. Hiervoor moet een nieuwe natuurkunde ontwikkeld worden. Het blijft onduidelijk hoe relativiteitstheorie en kwantumfysica in een zwart gat op elkaar inwerken. Er is een informatieparadox: In de relativiteitstheorie is er informatieverlies door entropie (toenemende wanorde), in de kwantummechanica is behoud van informatie heilig. In het zwarte gat lijkt alle informatie te verdwijnen. Het ontwikkelen van een kwantumzwaartekrachttheorie is vooralsnog erg (te?) ingewikkeld. De zwarte gaten hebben het probleem van de integratie van beide theorieën wel zeer concreet gemaakt.
Almacht en grenzen
Onze wetenschap en kennis is enorm toegenomen. Alles is meetbaar geworden, het onmetelijke heelal maar ook de mens. Een zwart gat is in beeld gebracht. Toch zijn er ook grenzen aan de kennis: We kunnen niet in een zwart gat kijken en kunnen geen geluiden opvangen van voor de oerknal. Is het haalbaar en betaalbaar deze laatste geheimen op te lossen? Zijn de grote vragen van ‘waarom’ en ‘waartoe’ ooit oplosbaar? We weten veel meer dan ooit maar we weten ook veel beter wat we niet kúnnen weten. We kunnen de spelregels van het heelal steeds beter begrijpen maar waar spel en spelregels vandaan komen, weten we niet. Wetenschap gaat uit van determinatie maar de echte vragen gaan over oorzaak en doel en daarover gaat de wetenschap niet. Vandaaruit komt Falcke op God als oorzaak, een persoon over wie we alleen kunnen stamelen maar die we alleen door ervaring als persoon kunnen kennen, al gaat dat voortdurend gepaard met twijfelen. Juist omdat er vrijheid is, kunnen we vragen stellen, twijfelen, geloven hopen en liefhebben, activiteiten die buiten de wetenschap vallen. Het verbaast mij wel dat de wetenschap niet ingaat op het merkwaardige feit dat bij de evolutie van de oerknal tot de huidige kosmos als vanzelfsprekend gebruik wordt gemaakt van altijd geldende, onveranderlijke natuurwetten en de absolute lichtsnelheid. Ook dat lijkt me paradoxaal.
Falcke H. met Jurg Romer, Licht in de duisternis. Zwarte gaten, het universum en wij (2020). Prometheus Amsterdam.
