Wat is het volgende venster op ons universum?

Big data is overal -- zelfs in de ruimte. In een informatieve talk laat astronoom Andrew Connolly zien hoe grote hoeveelheden data verzameld worden over ons universum en vastgelegd worden op steeds weer andere manieren. Hoe leggen wetenschappers deze beelden vast? Het begint met een reusachtige telescoop...

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)