In 1781 ontdekte de Engelse componist,
technoloog en astronoom William Herschel
een object aan de hemel dat
niet helemaal bewoog zoals de overige sterren.
Herschels besef dat er iets anders was,
dat er iets niet klopte,
was de ontdekking van een planeet,
de planeet Uranus, een naam waarvan de klank
talloze generaties van Engelstalige kinderen heeft vermaakt.
Die planeet verdubbelde plotsklaps de omvang van het bekende zonnestelsel.
Net vorige maand kondigde NASA de ontdekking aan
van 517 nieuwe planeten in een baan rond nabije sterren,
bijna een verdubbeling van het aantal planeten
die we kennen in onze melkweg.
Astronomie is in constante ontwikkeling
door die capaciteit om gegevens te verzamelen.
Doordat de gegevens bijna jaarlijks verdubbelen
zullen we misschien binnen twee decennia
voor het eerst in de geschiedenis het punt bereiken
waarop we het grootste deel
van de sterrenstelsels in het heelal hebben ontdekt.
Maar nu we dit tijdperk van big data binnentreden,
merken we dat het hebben van meer data niet alleen beter is;
meer data hebben kan ook 'anders' zijn.
Dat maakt het mogelijk andere vragen te stellen.
Dit verschil gaat niet over hoeveel gegevens we verzamelen,
maar of deze gegevens nieuwe vensters op ons heelal openen
en of ze zullen veranderen hoe we naar de hemel kijken.
Wat is het volgende venster op ons heelal?
Wat is het volgende hoofdstuk voor de astronomie?
Ik toon jullie enkele hulpmiddelen en technologieën
voor de komende tien jaar,
en hoe deze technologieën
samen met het slimme gebruik van gegevens,
de astronomie weer kunnen veranderen
door het openen van een venster op ons heelal,
het venster van de tijd.
Waarom tijd? Tijd gaat over oorsprong en evolutie.
De oorsprong van ons zonnestelsel,
hoe ons zonnestelsel ontstond,
is het ongewoon of speciaal op de een of andere manier?
Over de evolutie van ons heelal.
Waarom blijft ons heelal uitdijen
en wat is die mysterieuze donkere energie
die die uitdijing aandrijft?
Maar eerst wil ik laten zien hoe de technologie
de manier waarop we de hemel zien, gaat veranderen.
Stel je zit in de bergen in het noorden van Chili
en je kijkt naar het westen
in de richting van de Stille Oceaan,
een paar uur voor zonsopgang.
Dit is de nachtelijke hemel die je zou zien.
Het is een mooi uitzicht,
met de Melkweg die net boven de horizon komt gluren.
Maar het is ook een statische weergave.
Het is in vele opzichten de manier waarop we denken over ons heelal:
eeuwig en onveranderlijk.
Maar het heelal is allesbehalve statisch.
Het verandert voortdurend op tijdschalen van seconden
tot miljarden jaren.
Sterrenstelsels fuseren, ze botsen met honderdduizenden km per uur.
Sterren worden geboren, ze sterven;
hun ontploffing vormt een extravagant schouwspel.
Als we terug konden gaan
naar onze rustige luchten boven Chili,
en we lieten de tijd vooruitgaan
om te zien hoe de hemel in het komende jaar zou veranderen,
dan zijn de pulsaties die je daar ziet
supernova’s, de laatste overblijfselen van een ontploffende, stervende ster.
Ze lichten op en doven dan langzaam uit.
Elk van deze supernova’s
is vijf miljard keer helderder dan onze zon.
Daarom kunnen we ze op grote afstand zien,
maar voor slechts een korte tijd.
Per seconde ontploffen tien supernova’s ergens in ons heelal.
Als we het horen konden,
zou het knetteren als een zak popcorn.
Als we de supernova’s dimmen,
verandert niet alleen de helderheid.
Onze hemel is in constante beweging.
Deze zwerm objecten die je door de hemel ziet stromen,
zijn asteroïden in een baan rond de zon.
Deze veranderingen en bewegingen
en de dynamiek van het systeem
stellen ons in staat modellen van ons heelal te bouwen.
Daarmee voorspellen we zijn toekomst en verklaren we zijn verleden.
Maar de telescopen van het afgelopen decennium
zijn niet bedoeld om op deze schaal gegevens vast te leggen.
De Hubble Space Telescope:
in de laatste 25 jaar maakt hij
de meest gedetailleerde weergaves
van onze verre heelal,
maar als je met de Hubble een foto van de hele hemel wil maken
zouden er 13 miljoen afzonderlijke foto’s nodig zijn.
En zo’n 120 jaar om dit één keer te doen.
Daarom moeten we naar nieuwe technologieën
en nieuwe telescopen,
telescopen voor lichtzwakke objecten
om naar het verre heelal te kijken,
maar ook telescopen met een groot blikveld
om de hemel zo snel mogelijk vast te leggen.
Zo’n telescoop is de Large Synoptic Survey Telescope,
of LSST,
misschien wel de meest saaie naam ooit bedacht
voor een van de meest fascinerende experimenten
in de geschiedenis van de astronomie,
Het bewijs dat je ingeval
nooit een wetenschapper of een ingenieur iets een naam moet laten geven,
zelfs niet je kinderen. (Gelach)
We bouwen de LSST.
We verwachten dat hij tegen het einde van dit decennium operationeel wordt.
Ik ga jullie laten zien hoe we denken
dat hij onze kijk op het heelal gaat veranderen.
Eén beeld van de LSST
is gelijk aan 3.000 beelden
van de Hubble Space Telescope.
Elk beeld omvat 3,5 graden van de hemel,
zeven keer de breedte van de volle maan.
Hoe leg je nu een afbeelding op deze schaal vast?
Wel, je maakt de grootste digitale camera in de geschiedenis
met dezelfde technologie als de camera in je mobiele telefoon
of de digitale camera's die je in de winkel kunt kopen,
maar dan een met 1,7 meter diameter,
ongeveer de grootte van een Volkswagen Kever.
Eén beeld bevat drie miljard pixels.
Om één afbeelding te bekijken
in volledige resolutie, één enkel beeld van de LSST,
heb je ongeveer 1.500 high-definition tv-schermen nodig.
Deze camera zal de hemel in beeld brengen
met een nieuwe foto om de 20 seconden.
Hij scant de hemel continu af.
Om de drie nachten krijgen we een volledig nieuw beeld
van de hemel boven Chili.
Over de levensduur van de missie van deze telescoop,
zal hij 40 miljard sterren en sterrenstelsels detecteren.
Voor het eerst zullen we meer objecten in ons heelal hebben ontdekt
dan dat er mensen zijn op aarde.
Nu kunnen we hierover praten
in termen van terabytes en petabytes en miljarden objecten,
maar om een gevoel van de hoeveelheid data te krijgen
die van deze camera komen:
het is als het afspelen van elke ooit opgenomen TED-talk,
maar dan gelijktijdig,
24 uur per dag, zeven dagen per week, gedurende 10 jaar.
Deze gegevens verwerken komt overeen met
het doorzoeken van al die talks
op elk nieuw idee en elk nieuwe concept,
door te kijken naar elk deel van de video
om te zien hoe elk frame verandert
naar het volgende.
Dat verandert de manier om aan wetenschap te doen,
en om aan astronomie te doen.
Software en algoritmen
moeten in deze gegevens gaan graven.
De software zal even cruciaal zijn voor de wetenschap
als de telescopen en de camera's die we hebben gebouwd.
Duizenden ontdekkingen
zullen voortkomen uit dit project,
maar hier zijn twee ideeën over oorsprong en evolutie
die kunnen worden getransformeerd door onze toegang
tot gegevens op deze schaal.
In de afgelopen vijf jaar heeft NASA
meer dan 1.000 planetaire systemen rond nabije sterren ontdekt.
Maar de systemen die we vinden
lijken niet veel op ons eigen zonnestelsel.
Een van onze vragen is:
hebben we gewoon niet hard genoeg gezocht,
of is er iets bijzonders
aan hoe ons zonnestelsel werd gevormd?
Als we die vraag willen beantwoorden,
moeten we de geschiedenis van ons zonnestelsel
in detail kennen en begrijpen.
Vooral de details zijn van cruciaal belang.
We kijken opnieuw naar de hemel,
naar de ronddraaiende asteroïden,
die een soort puin van ons zonnestelsel zijn.
De posities van de asteroïden
zijn als een vingerafdruk van een vroeger tijdstip
toen de banen van Neptunus en Jupiter
veel dichter bij de zon waren.
Toen deze reuzenplaneten door ons zonnestelsel migreerden,
verstrooiden ze de asteroïden in hun kielzog.
Het bestuderen van de asteroïden
is een beetje als uitvoeren van forensisch onderzoek
op ons zonnestelsel.
Daarvoor moeten we afstand kennen,
die we krijgen van de beweging
gecombineerd met de tijd.
Wat vertelt dit ons?
Kijk naar de kleine gele asteroïden
die over het scherm flitsen.
Die asteroïden bewegen het snelst
omdat ze het dichtst bij ons, het dichtst bij de aarde zijn.
Daar zullen we ruimtevaartuigen
naartoe sturen om ze te ontginnen voor mineralen,
maar het zijn ook die asteroïden die op een dag
op de aarde kunnen inslaan,
zoals 60 miljoen jaar geleden
bij het uitsterven van de dinosaurussen,
of net aan het begin van vorige eeuw,
toen een asteroïde meer dan
1.000 vierkante km Siberische bossen wegvaagde.
Of zelfs vorig jaar toen er een opbrandde boven Rusland,
met de energie van een kleine nucleaire bom.
Het forensisch bestuderen van ons zonnestelsel
vertelt ons niet alleen iets over het verleden,
het kan ook de toekomst voorspellen, met inbegrip van onze toekomst.
Van op afstand zien we
de asteroïden in hun natuurlijke habitat,
in een baan rond de zon.
Elk punt in deze visualisatie
stelt een echte asteroïde voor.
Zijn baan is berekend op basis van zijn beweging langs de hemel.
De kleuren geven de samenstelling van deze asteroïden,
droge en steenachtige in het centrum,
waterrijke en primitieve bij de rand,
waterrijke asteroïden die mogelijk de bron waren
voor de oceanen en zeeën op onze planeet
toen ze vroeger de aarde bombardeerden.
Omdat de LSST ook lichtzwak kan werken
en niet alleen in de breedte,
zullen we deze asteroïden ver voorbij
het binnenste gedeelte van ons zonnestelsel kunnen zien.
Zelfs de asteroïden voorbij de baan van Neptunus en Mars,
zelfs kometen en asteroïden
op bijna een lichtjaar van onze zon.
Als we het detail van deze foto
een factor 10 tot 100 vergroten,
zullen we vragen als deze kunnen beantwoorden:
is er bewijs voor planeten buiten de baan van Neptunus
en kunnen we asteroïden vinden die de aarde bedreigen
lang voordat ze een gevaar zijn.
Misschien ontdekken we
of onze zon zich op zichzelf vormde of in een groep van sterren.
Misschien zijn het die stellaire verwanten van onze zon
die van invloed waren op de vorming van ons zonnestelsel.
Misschien is dat een van de redenen
waarom zonnestelsels als het onze zo zeldzaam lijken te zijn.
Afstand en veranderingen in ons heelal -
afstand is gelijk aan tijd,
evenals veranderingen aan de hemel.
Elke meter die je verder kijkt,
of elke meter die je van een object verwijderd bent,
betekent enkele miljardsten van seconden in de tijd.
Dit idee van terugkijken in de tijd
heeft onze ideeën over het heelal
meerdere keren omver gegooid.
De eerste keer was dat in 1929,
toen de astronoom Edwin Hubble
aantoonde dat het heelal uitdijde,
wat leidde tot het idee van de Big Bang.
De waarnemingen waren eenvoudig:
slechts 24 sterrenstelsels
en een met de hand getekende grafiek.
Maar het idee dat hoe verder een sterrenstelsel was,
hoe sneller het zich verwijderde,
was genoeg om tot de moderne kosmologie te komen.
Een tweede revolutie gebeurde 70 jaar later,
toen twee groepen astronomen lieten zien
dat het heelal niet alleen uitdijde,
maar versnelde.
Het was alsof je een bal in de lucht gooide
en zag dat hoe hoger hij kwam,
hoe sneller hij omhoog vloog.
Dat toonden ze aan
door het meten van de helderheid van supernova’s:
hoe de helderheid van de supernova
afnam met de afstand.
Deze waarnemingen waren complexer.
Ze vereisten nieuwe technologieën en nieuwe telescopen,
omdat de supernova’s zich in sterrenstelsels bevonden
die 2.000 maal verder afgelegen waren
dan degene die gebruikt werden door Hubble.
Het duurde drie jaar om slechts 42 supernova’s vinden,
want een supernova ontploft maar eens
in de honderd jaar in een sterrenstelsel.
Drie jaar om 42 supernova’s te vinden
door in tienduizenden sterrenstelsels te zoeken.
Toen ze hun gegevens hadden verzameld, vonden ze dit.
Het ziet er misschien niet indrukwekkend uit,
maar zo ziet een revolutie in de natuurkunde er nu eenmaal uit:
een lijn die de helderheid van een supernova voorspelt
op 11 miljard lichtjaren afstand,
en een handvol punten die niet helemaal op die lijn passen.
Kleine veranderingen leiden tot grote gevolgen.
Kleine veranderingen maken ontdekkingen mogelijk,
zoals de planeet gevonden door Herschel.
Kleine veranderingen zetten ons begrip
van het heelal op zijn kop.
Zo betekenen 42 iets te lichtzwakke supernova's,
dat ze iets verder weg zijn.
Dat vereist dat een heelal niet alleen uitdijt,
maar dat deze uitdijing ook versnelt
en onthult iets van ons heelal
dat we nu 'donkere energie' noemen,
iets die deze uitdijing aandrijft
en 68 procent van de energie-begroting
van ons heelal uitmaakt.
Wat gaat de volgende revolutie waarschijnlijk zijn?
Nou, wat is die donkere energie en waarom bestaat ze?
Elk van deze lijnen toont een ander model
voor wat donkere energie zou kunnen zijn,
de eigenschappen van donkere energie.
Ze zijn allemaal consistent met de 42 punten,
maar de ideeën achter deze lijnen
zijn dramatisch anders.
Sommige mensen denken over een donkere energie
die verandert met de tijd,
of dat de eigenschappen van de donkere energie
verschillend zijn, afhankelijk van naar welk deel van de hemel je kijkt.
Anderen stellen wijzigingen voor aan de natuurkunde op subatomair niveau.
Of ze kijken naar de grote schaal
en veranderen hoe de zwaartekracht en de algemene relativiteitstheorie werken,
of ze zeggen dat ons heelal er slechts één is van vele,
een onderdeel van een mysterieus multiversum.
Maar al deze ideeën, al deze theorieën,
geweldig en sommige weliswaar een beetje gek,
zijn allemaal in overeenstemming met onze 42 punten.
Hoe kunnen we hopen dat in de komende tien jaar uit te vissen?
Stel dat ik je een paar dobbelstenen gaf,
en dat je wilde nagaan of deze dobbelstenen
geladen of eerlijk waren.
Eén worp van de dobbelstenen zou je heel weinig vertellen,
maar hoe vaker je ze liet rollen,
hoe meer gegevens je verzamelde,
hoe zekerder je zou worden,
niet alleen of ze geladen of eerlijk waren,
maar ook hoeveel en op welke manier.
Het duurde drie jaar om slechts 42 supernova’s vinden
omdat de telescopen die we bouwden
slechts een klein deel van de hemel konden overzien.
Met de LSST krijgen we elke drie nachten een volledig nieuw overzicht
van de hemel boven Chili.
In de eerste nacht dat hij zal werken,
zal hij 10 maal het aantal supernova’s vinden
die nodig waren voor de ontdekking van donkere energie.
Dit zal met 1000 toenemen
in de eerste vier maanden:
1.500.000 supernova’s tegen het einde van zijn onderzoek,
iedere supernova één worp van de dobbelstenen,
iedere supernova test de theorieën over donkere energie:
welke zijn consistent en welke niet?
Door deze supernova-data te combineren
met andere metingen in de kosmologie,
zullen we geleidelijk verschillende ideeën
en theorieën van de donkere energie kunnen uitsluiten.
Zodat we aan het einde van dit onderzoek rond 2030
hopelijk een theorie voor ons heelal,
een fundamentele theorie voor de fysica van ons heelal,
geleidelijk zien ontstaan.
In veel opzichten zijn de vragen die ik stelde
in werkelijkheid de meest eenvoudige vragen.
Misschien kunnen we de antwoorden niet vinden,
maar we hebben in elk geval de vragen leren stellen.
Grasduinen door tienduizenden sterrenstelsels
leverde 42 supernova’s op.
Dat zette ons begrip van het heelal op zijn kop.
Als we miljarden sterrenstelsels gaan onderzoeken,
hoeveel keer gaan we dan 42 punten vinden
die niet helemaal overeenkomen met wat we verwachten?
Zoals de planeet van Herschel
of de donkere energie
of de kwantummechanica en de algemene relativiteitstheorie:
allemaal nieuwe ideeën die voortkwamen
uit gegevens die afweken van wat we verwacht hadden.
Het spannende van astronomische gegevens van de komende tien jaar
is dat we niet eens weten hoeveel antwoorden
op ons liggen te wachten,
antwoorden over onze oorsprong en onze evolutie.
Hoeveel antwoorden zijn er
waarvan we niet eens weten
welke vragen we erover willen stellen?
Dankjewel.
(Applaus)