Janna Levin: Het geluid dat het heelal maakt

Ik wil jullie allen vragen om even het zeer simpele feit te overwegen dat verreweg het meeste van wat we weten over het heelal tot ons komt via licht. We kunnen op de aarde staan en naar de nachtelijke hemel kijken en de sterren zien met het blote oog. De zon schijnt in onze ooghoek, we zien het licht weerkaatst door de maan, en sinds Galileo zijn rudimentaire telescoop op de hemellichamen richtte weten we dat het bekende universum tot ons is gekomen door licht, over eeuwigheden van kosmische geschiedenis. En met al onze moderne telescopen, zijn we in staat geweest om deze prachtige geluidloze van het universum op te nemen -- deze reeks momentopnamen die helemaal teruggaat tot aan de oerknal.

En toch is het universum geen stomme film, omdat het universum niet stil is. Ik wil jullie ervan overtuigen dat het universum een soundtrack heeft, en dat die soundtrack op de ruimte zelf wordt gespeeld. Omdat de ruimte kan trillen als een trom. Ze kan doorheen het hele heelal een soort live opname laten weerklinken van het verloop van sommige van de meest dramatische gebeurtenissen. Nu zouden we graag aan de heerlijke visuele compositie die we van het heelal hebben, een sonische compositie kunnen toevoegen. En terwijl we nog nooit geluiden uit de ruimte hebben gehoord, zouden we in de komende jaren de volumeknop echt moeten opendraaien zodat we kunnen horen wat er gaande is.

Dus met de ambitie om muziek uit het heelal op te vangen, richten we onze aandacht op zwarte gaten en de belofte die ze inhouden, omdat zwarte gaten op de ruimte-tijd kunnen bonken als drumsticks op een drum en een zeer karakteristiek ritme hebben, en ik wil jullie graag laten horen hoe dat volgens onze voorspellingen zou klinken. Nu zijn zwarte gaten donker tegen een donkere achtergrond. We kunnen ze niet direct zien. Via licht kunnen we ze niet waarnemen, toch niet rechtstreeks. Onrechtstreeks wel, omdat zwarte gaten hun omgeving verwoesten. Ze vernietigen sterren om hen heen. Ze smijten afvalbrokken rond in hun omgeving. Maar ze zullen nooit rechtstreeks te zien zijn. Op een dag zien we misschien de schaduw die een zwart gat kan werpen op een zeer heldere achtergrond, maar dat is nog nooit voorgekomen. En toch kunnen zwarte gaten worden gehoord zelfs als ze niet worden gezien, en dat is omdat ze op de ruimte-tijd bonken. Nu hebben wij

het idee dat ruimte kan trillen als een trommel aan Albert Einstein te danken, aan wie wij zoveel hebben te danken. Einstein realiseerde zich dat als de ruimte leeg zou zijn, als het universum leeg was, het er zo zou uitzien hoewel misschien zonder dat behulpzame rooster. Maar als we vrij door de ruimte zouden vallen, dan zouden zelfs zonder dat handige rooster het misschien kunnen zelf kunnen natekenen, omdat we zouden merken dat we reisden langs rechte lijnen, ongebogen rechte paden door het heelal. Einstein besefte ook -- en hier gaat het om -- dat als je energie of massa in het heelal brengt, het de ruimte zou krommen. En als een vrij vallend voorwerp langs, laten we zeggen, de zon zou passeren zou het worden afgebogen langs de natuurlijke kromming van de ruimte. Dit was Einstein's geweldige algemene relativiteitstheorie. Nu wordt zelfs licht door deze paden gekromd. En je kan zelfs zodanig worden gebogen, dat je vast zit in een baan rond de zon, zoals de aarde, of zoals de maan rond de aarde. Dit zijn de natuurlijke krommingen in de ruimte.

Wat Einstein zich niet realiseerde was dat, als je onze zon nam en ze plette tot op een diameter van zes kilometer -- je nam dus een miljoen keer de massa van de aarde en je plette dat tot zes kilometer weid, dat je een zwart gat zou krijgen: een voorwerp zo dicht dat als licht te dichtbij kwam, het nooit meer zou kunnen ontsnappen -- een donkere schaduw tegen het universum. Het was niet Einstein die dat heeft ontdekt, maar Karl Schwarzchild. Hij was een Duitse jood in de Eerste Wereldoorlog -- die in het Duitse leger was toegetreden als een succesvolle wetenschapper en werkte aan het Russisch front. Ik stel me Schwarzchild graag voor in de loopgraven, ballistische trajecten voor kanonnen berekenend, en dan, tussendoor, rekenend aan de vergelijkingen van Einstein -- wat gemeengoed was in de loopgraven. Hij las van Einstein's onlangs verschenen algemene relativiteitstheorie, en hij werd enthousiast door deze theorie. Hij vermoedde al snel een exacte wiskundige oplossing die iets heel bijzonders beschreef: zo'n sterke krommingen dat ze de ruimte zelf konden oprollen, ruimte zelf zou krommen als een waterval stromend door de opening van een gat. En zelfs licht zou niet uit deze vloedgolf kunnen ontsnappen. Licht zou in het gat worden geslurpt zoals al de rest, en er zou niets resteren dan een shaduw.

Nu schreef hij aan Einstein, en zei: "Zoals u ziet, is de oorlog aardig genoeg voor me geweest, ondanks het hevige artillerievuur. Ik ben in staat geweest hier even van weg te komen en rond te wandelen in de wereld van uw ideeën. " Einstein was zeer onder de indruk van zijn exacte oplossing, en naar ik wil ook hopen ook van de toewijding van de wetenschapper. Dit is de archetypische hardwerkende wetenschapper die onder barre omstandigheden moet werken. En hij legde de week erna Schwarzchild's idee voor aan de Pruisische Academie van Wetenschappen. Maar Einstein dacht altijd aan zwarte gaten als een wiskundige curiositeit. Hij geloofde niet dat ze bestonden​ in de natuur. Hij dacht dat de natuur ons zou te beschermen tegen hun ontstaan. Pas decennia later werd de term zwart gat bedacht en realiseerden mensen zich dat zwarte gaten echte astrofysische objecten zijn -- in feite zijn ze de dode fase van zeer massieve sterren die catastrofaal instorten aan het eind van hun levensduur.

Onze zon zal niet instorten tot een zwart gat. Ze heeft daar te weinig massa voor. Maar als we een klein gedachte-experiment -- zoals Einstein graag deed -- zouden doen kunnen we ons voorstellen dat we de Zon zouden pletten tot zes kilometer met een piepkleine Aarde rond haar in een baan, ongeveer 30 km van de zwartgat-zon. En ze zou uit zichzelf lichtgevend moeten zijn, want nu de zon weg is, hebben we geen andere lichtbron -- dus laten we onze kleine aarde lichtgevend maken. En je zou beseffen dat je de aarde in een fijne baan van slechts 30 km om dit geplette zwarte gat kon brengen. Dit geplette zwarte gat zou min of meer passen in Manhattan, Misschien zou het wat overlopen in de Hudson voordat het de aarde zou verwoesten. Maar dat is ruwweg waar we het over hebben. We praten over een object dat je zou kunnen pletten tot de helft van het Manhattangebied.

We brengen deze aarde zeer dichtbij -- op 30 km -- en we merken dat ze zonder problemen in een baan rond het zwarte gat komt. Er is een soort van mythe dat zwarte gaten alles in het universum opslokken, maar je moet er eigenlijk heel dichtbij komen om erin te vallen. Maar wat erg indrukwekkend is dat, vanuit ons gezichtspunt, we de Aarde altíjd kunnen zien. Ze kan zich niet verschuilen achter het zwarte gat. Het licht van de Aarde valt er deels in, maar een ander deel ervan wordt errond 'gelensd' en terug naar ons gestuurd. Je kunt niets verbergen achter een zwart gat. Als dit Battlestar Galactica was en je was aan het strijden tegen de Cylons, ga je dan niet verschuilen achter een zwart gat. Ze kunnen je nog altijd zien.

Nu zal onze zon niet instorten tot een zwart gat; ze heeft niet genoeg massa, maar er zijn tienduizenden zwarte gaten in ons melkwegstelsel. En indien een zwart gat de Melkweg zou overschaduwen, dan is dit hoe het eruit zou zien. We zouden een schaduw van dat zwarte gat zien tegen de honderd miljard sterren in de Melkweg en de lichtgevende stofwolken. En als we zouden vallen in de richting van dit zwart gat, zouden we al dat licht eromheen gelensd zien, en we zouden zelfs in die schaduw kunnen terechtkomen zonder door te hebben dat er iets dramatisch aan de hand was. Het zou geen zin hebben onze raketten te ontsteken om er uit weg te komen omdat het niet zou werken, als zelfs licht niet kan ontsnappen.

Maar hoewel het zwarte gat van buiten donker is, is het niet donker aan de binnenkant, omdat al het licht van het sterrenstelsel er achter ons aan in zou vallen. En hoewel, als gevolg van het relativistische effect dat bekend staat als tijdsdilatatie, onze klokken zouden lijken te vertragen ten opzichte van galactische tijd, zou het lijken alsof de evolutie van de melkweg werd versneld en naar ons toe werd geprojecteerd, net voordat we worden doodgedrukt door het zwarte gat. Het zou als een bijna-doodervaring zijn waar je het licht aan het eind van de tunnel ziet, maar het is een totale doodervaring. (Gelach) En er zou geen manier zijn om iets na te vertellen van het licht aan het eind van de tunnel. Nu hebben we

nog nooit een schaduw als deze van een zwart gat gezien, maar zwarte gaten kunnen gehoord worden, zelfs als ze niet gezien kunnen worden. Stel je nu een astrofysisch realistische situatie voor -- stel je twee zwarte gaten die een lange tijd samen hebben doorgebracht. Misschien zijn ze begonnen als sterren en in elkaar gestort tot twee zwarte gaten -- elk 10 keer de massa van de zon. Die gaan we nu pletten tot ze 60 km breed zijn. Ze kunnen honderden keren per seconde ronddraaien. Aan het eind van hun leven gaan ze , om elkaar heendraaien met bijna de snelheid van het licht. Ze leggen zo duizenden kilometers af in een fractie van een seconde. En zo krommen zij niet alleen de ruimte, maar veroorzaken in hun kielzog een ruimtetrilling, een echte ruimte-tijdgolf. Ruimte krimpt en rekt zich wanneer ze uitgaat van deze zwarte gaten die bonken op het universum. En deze golven reizen de kosmos in met de snelheid van het licht.

Deze computersimulatie is gemaakt door een relativiteitstheoriegroep bij NASA Goddard. Het duurde bijna 30 jaar voor iemand in de wereld dit probleem kon oplossen. Dit is het resultaat van één groep. Het toont twee zwarte gaten in een baan om elkaar heen, opnieuw, met deze hulpzame geschilderde curves. En je kunt zien -- het is nogal zwak -- maar de rode golven die je ziet uitwaaieren, zijn de gravitatiegolven. Ze zijn letterlijk de geluiden van de ringende ruimte, en ze komen uit deze zwarte gaten aan de snelheid van het licht terwijl ze trillen en uiteindelijk samensmelten tot één roterend en rustig zwart gat. Als je dicht genoeg zou staan, zou je oor resoneren met het krimpen en rekken van de ruimte. Je zou het geluid letterlijk horen. Nu zou natuurlijk ook je hoofd hinderlijk gaan krimpen en rekken, dus je zou moeite kunnen hebben om te begrijpen wat er gaande is. Maar ik zou u graag laten horen hoe het geluid, zoals wij dat voorspellen, zou klinken.

Dit komt van mijn groep -- een iets minder glamoureus computermodel. Stel je een lichter zwart gat voor dat valt in een zeer zwaar zwart gat. Het geluid dat jullie horen is het lichte zwarte gat dat op de ruimte bonkt elke keer dat het dicht bij het andere gat komt. Als het ver weg gaat, is het een beetje te stil. Maar het slaat als een drumstok, en het scheurt letterlijk de ruimte, laat haar trillen als een drum. En we kunnen voorspellen hoe dat geluid zal zijn. We weten dat terwijl het zwarte gat naar binnen valt het geluid sneller en luider wordt. En uiteindelijk, horen we dat het kleine gewoon op het grotere neerstort. (Kloppend geluid) Dan is het weg. Zo luid heb ik het nog nooit gehoord -- het is hier eigenlijk veel dramatischer. Thuis klinkt het ietwat anticlimactisch. Een beetje als als ding, ding, ding.

Dit is een ander geluid van mijn groep. Nee, ik laat jullie geen afbeeldingen zien, omdat zwarte gaten geen nuttige inktsporen nalaten, en ook geen ruimtekrommingen laten zien. Maar als je op een vakantie door de ruimte zou rondzweven en je dit hoorde, kun je je beter uit de voeten maken. (Gelach) Weg van het geluid. Beide zwarte gaten zijn in beweging. Beide zwarte gaten komen dichter bij elkaar. In dit geval gaan ze beiden trillen. En dan versmelten. (Kloppend geluid) En dan is het weg. Dit soort krekelgeluid is zeer karakteristiek voor fuserende zwarte gaten -- de toon gaat aan het einde omhoog. Nu is dat onze voorspelling voor wat we zullen zien.

Gelukkig zijn we in Long Beach, Californië op veilige afstand. En zeker zijn ergens in het heelal twee zwarte gaten gefuseerd. En de ruimte om ons heen, weergalmt die fusie na een reis van misschien wel een miljoen lichtjaar, ofwel een miljoen jaar tegen lichtsnelheid. Maar het geluid is te zacht voor ons om het ooit te horen. Zeer ingenieuze experimenten worden op Aarde opgezet -- waaronder één genaamd LIGO - die afwijkingen in het krimpen en rekken van de ruimte zullen detecteren op minder dan de fractie van een kern of een atoom over een afstand van vier kilometer. Het is een opmerkelijk ambitieus experiment -- en het gaat binnen de komende paar jaar nog merkelijker gevoeliger worden -- om dit signaal waar te nemen. Er is ook een ruimtemissie, LISA genaamd, voorgesteld die hopelijk in de komende tien jaar van start zal gaan. En LISA zal in staat zijn om superzware zwarte gaten te zien -- zwarte gaten met miljoenen of zelfs miljarden keren de massa van de Zon.

In dit Hubble beeld zien we twee sterrenstelsels. Ze zien eruit als in een bevroren omarming. En elk herbergt waarschijnlijk een super-massief zwart gat in zijn kern. Maar ze zijn niet bevroren, eigenlijk zijn ze aan het fuseren. Deze twee zwarte gaten naderen elkaar, en zij zullen over een tijdschaal van een miljard jaar fuseren. Het ligt buiten de mogelijkheden van onze menselijke waarneming om een lied van die duur op te nemen. Maar LISA zou de laatste fasen van twee superzware zwarte gaten eerder in de geschiedenis van het universum kunnen zien: de laatste 15 minuten voordat ze samenvallen. En het zijn niet alleen zwarte gaten, maar het kan ook met elke grote verstoring in het heelal -- en de grootste van allemaal is de oerknal. Toen die uitdrukking, de "Big Bang" werd bedacht, was het schertsend bedoeld -- "Och, wie zou in een Big Bang geloven?" Maar nu zou het best een technisch nauwkeurige term kunnen zijn, omdat het misschien wel knalt; het zou een geluid kunnen maken.

Deze animatie van mijn vrienden bij Proton Studios laat ons van de buitenkant naar de Oerknal kijken. We zouden dat nooit in het echt willen doen; we willen binnen het universum blijven, want buiten het heelal gaan staan is nu eenmaal onmogelijk. Dus, stel je voor dat je binnenin de Oerknal bent. Hij is overal, helemaal om je heen, en de ruimte wiebelt chaotisch. 14 miljard jaar gaan voorbij en dit lied klinkt nog steeds overal om ons heen. Sterrenstelsels vormen zich, en generaties van sterren ontstaan in deze sterrenstelsels. En rond een ster, ten minste één ster, is een bewoonbare planeet. En hier zijn we fanatiek bezig met het bouwen van deze experimenten, zijn we deze berekeningen aan het doen, deze computercodes aan het schrijven.

Stellen jullie zich voor dat een miljard jaar geleden twee zwarte gaten botsten. Dat geluid klinkt al zolang door de ruimte. We waren hier toen nog niet eens. Het komt dichter en dichter -- 40.000 jaar geleden waren we nog bezig met grotschilderingen. Het is als: "Snel, snel, begin instrumenten te bouwen.". Het komt dichter en dichter bij en in 20xx, ongeacht welk jaar, zullen onze detectoren eindelijk gevoelig genoeg zijn -- we zullen ze bouwen en aanzetten en bang, we vangen het eerste lied uit de ruimte op. Als het de Oerknal zou zijn, zou hij zo klinken. (Ruis) Het is een vreselijk geluid. Het is letterlijk de definitie van ruis. Het is witte ruis, het is zo'n chaotisch geluid. Maar het is overal om ons heen, vermoedelijk, als het niet is uitgewist door een ander proces in het universum. En als we het oppikken, zal het als muziek in onze oren klinken, want het zal de stille echo zijn van het moment van de schepping, van ons waarneembare universum.

Dus in de komende jaren, kunnen we de volumeknop van de soundtrack een beetje meer opendraaien en het universum in audio weergeven. Maar als we die eerste momenten ontdekken, zal ons dat veel dichter brengen bij een goed begrip van de oerknal, en die brengt ons dan veel dichter bij het stellen van enkele van de moeilijkste en meest ongrijpbare vragen. Als wij de film van ons universum terug laten lopen, weten wij dat er een Oerknal was in ons verleden, en we zouden zelfs het kakofonische geluid ervan kunnen horen, maar was onze Oerknal de enige oerknal? Ik bedoel: we moeten ons toch afvragen of het al eerder is gebeurd? Zal het misschien opnieuw gebeuren? Ik bedoel, om tegemoet te komen aan TED's uitdaging om ons terug gevoel te geven voor het wonderbaarlijke, kunnen we vragen stellen, althans deze laatste minuut, die eerlijk gezegd onze mogelijkheden altijd te boven zullen gaan.

Maar we moeten het ons afvragen: Is het mogelijk dat ons universum slechts een onderdeel van een grotere geschiedenis is? Of, is het mogelijk dat we gewoon een aftakking van een multiversum zijn-- elke tak met zijn eigen Oerknal in het verleden -- sommige daarvan misschien ook met hun getrommel van zwarte gaten, sommige misschien zonder -- sommige misschien met bewust leven, en misschien sommige zonder -- niet in ons verleden, niet in onze toekomst, maar op een of andere manier fundamenteel verbonden met ons? Dus we moeten afvragen, of er een multiversum is, en of, in een ander deel van dat multiversum, er levende wezens bestaan? Hier zijn mijn multiversum wezens. Zijn er andere wezens in dat multiversum, die nadenken over ons en zich vragen stellen over hun eigen afkomst? En als ze er zijn, kan ik me voorstellen dat ze zoals wij, rekenen, computercode schrijven, instrumenten bouwen en proberen die oh zo zwakke geluiden van hun oorsprong te detecteren en zich afvragen wie er daarbuiten nog meer is.

Dank u. Dank u.

(Applaus)