‘Wat is belangrijk onderzoek?’ Het lijkt een makkelijke vraag: je slaat een blad als Nature of Science open en je hebt zo de spannendste topontdekkingen van de afgelopen tijd op een rijtje. Maar wie doet het ‘saaie’ werk dat aan de basis van interessant onderzoek staat? Als sterrenkundige en softwareontwikkelaar zie ik dat het lastiger is om geld te krijgen voor bijvoorbeeld het nauwkeuriger meten van atoomeigenschappen. Dit onderzoek is niet super sexy meer, maar wel hard nodig om hete gassen in de ruimte beter te snappen.
Het heelal zit vol met hete ijle gaswolken met temperaturen van miljoenen graden Celsius. Hier vliegen elektronen met grote snelheden rond en botsen zo af en toe met atomen die ook in het gas rondvliegen. Die atomen zijn door die harde klappen vaak al een aantal van hun elektronen kwijtgeraakt. Daardoor hebben ze een andere structuur dan je normaal op aarde tegenkomt. Een ijzeratoom bijvoorbeeld, heeft op aarde 26 elektronen maar in heet gas in de ruimte zijn er soms nog maar 1 of 2 van over. De rest vliegt met grote snelheid rond en botst weer met andere atomen. Elke botsing tussen een elektron en een atoom zendt röntgenstraling uit die we met ruimtetelescopen kunnen waarnemen.
Streepjescode van atomen
Het mooie is dat die waargenomen röntgenstraling informatie bevat over de structuur van die atomen. Ook al vliegen die op een miljard lichtjaar van de aarde. Elk chemisch element zendt op hele specifieke golflengten röntgenstraling uit. Die zien sterrenkundigen als een soort streepjescode. Elke lijn in de streepjescode komt van een bepaalde structuurverandering in het atoom. Als we de standaard streepjescode van een atoom kennen, kunnen sterrenkundigen uit die lijnen afleiden wat de temperatuur van het gas is, wat de samenstelling is en hoe snel het beweegt. Hartstikke handig als je heet gas wilt onderzoeken dat rond een zwart gat draait, of wilt weten wat de samenstelling van het heelal is.
Met de Japanse Hitomi-telescoop konden mijn collega’s en ik met ongekende precisie de streepjescodes van de atomen in het Perseus-cluster van melkwegstelsels meten. De grafiek hieronder laat zien wat Hitomi gemeten heeft. De pieken worden veroorzaakt door chroom-, mangaan- en ijzeratomen in het hete gas in Perseus. Deze meting liet ook zien dat zelfs onze beste modellen die gegevens nog niet goed konden verklaren. Jammer genoeg ging Hitomi zes weken na de lancering verloren en moeten we wachten op zo’n nieuw gevoelig instrument.
De Japanse Hitomi satelliet mat met ongekende precisie de streepjescodes van de atomen in het Perseus-cluster van melkwegstelsels. (Bron: NASA’s Goddard Space Flight Center)
Nauwkeurige metingen
Heel lang duurt dat gelukkig niet, want de opvolger van Hitomi (XRISM) wordt al in 2021 gelanceerd. Na 2030 volgt de Europese Athena-telescoop. Deze nieuwe generatie röntgentelescopen in de ruimte kunnen die streepjescodes nauwkeuriger dan ooit meten. Soms zelfs veel beter dan dat we de atomen zelf kennen.
Dat levert weer een nieuw probleem op, want hoe weet ik dan waar ik naar kijk? Het is alsof je aan het wandelen bent met een landkaart waar alleen snelwegen op staan. Om dat op te lossen kunnen we twee dingen doen. Hete gassen meten in een laboratorium of de streepjescodes berekenen met computermodellen uit de vorige eeuw. Het probleem met meten in een laboratorium is dat er miljoenen lijnen zijn, dus dan ben je wel even bezig. Als je de zwakke lijnen überhaupt al ziet. Je kunt de lijnen ook uitrekenen met de computer, maar dat blijkt ook niet zo nauwkeurig te zijn. Er zijn twee verschillende rekenmethodes en bij ingewikkelde atomen leveren die twee berekeningen net iets anders op. Wat is dan de goeie uitkomst?
Computermodellen uit de vorige eeuw
Bij nieuwe ontdekkingen is het heel belangrijk om te weten bij welke energie de lijn wordt uitgezonden (horizontale positie in de grafiek) en hoe sterk de lijn is (hoogte van de piek). Met een database en software die al sinds de jaren 70 bij SRON wordt ontwikkeld (SPEX) kan ik dat voor een hete gaswolk uitrekenen, maar dit programma is afhankelijk van nauwkeurige atoomgegevens.
De laatste tien jaar hebben een astronoom, een gepensioneerde atoomfysicus en ik als programmeur, tussen de andere werkzaamheden door, de atoomdata en modellen in dit pakket kunnen verbeteren. Twee promovendi en een post-doc hebben we een jaar kunnen inzetten om een paar onderdelen aan te pakken, maar dat geld kregen we vooral omdat ze daarna interessante wetenschap met de Hitomi-satelliet zouden doen. Zo proberen we al jaren met een klein team steeds nauwkeuriger uit te rekenen wat een heet gas aan lijnen uitzendt, maar we zijn nog niet klaar.
De in 2016 gelanceerde Hitomi-röntgentelescoop die onder andere de omgeving rond zwarte gaten en groepen van melkwegstelsels zou bestuderen. (Illustratie: JAXA/ISAS)
Grote impact
De laatste verbeteringen hebben een grote impact op de wetenschap gehad. Toen ik bijvoorbeeld in 2007 mijn proefschrift schreef, had ik net de samenstelling van heet gas in grote groepen van melkwegstelsels gemeten. Het leek erop dat de samenstelling van die wolken heel anders was dan die van de zon. Op dat moment gebruikte ik een SPEX-model met 4000 lijnen. Toen de Hitomi-telescoop werd gelanceerd, hadden we het SPEX-model uitgebreid naar 1 miljoen lijnen.
Met het nieuwe model en de veel betere data van Hitomi bleek dat alle gemeten hoeveelheden van onder andere silicium, zwavel en calcium in dezelfde verhoudingen als in de zon voorkomen. Deze ontdekking verscheen in 2017 in Nature. Een totaal andere conclusie dan die van mij in 2007, mede dankzij de nieuwe atoomgegevens. De conclusies uit mijn proefschrift zijn daarmee achterhaald.
‘Saaie’ wetenschap
Nauwkeurige gegevens van atomen zijn dus nodig om de juiste resultaten te krijgen. Alleen zijn er nog maar weinig experts over die alles van dit soort hete atomen weten. In de vorige eeuw was dit vakgebied nog levendig en ontdekten wetenschappers in dit veld veel nieuws. Maar eind vorige eeuw leek alles wel zo’n beetje over atomen bekend en waren er veel interessantere vakgebieden in de natuurkunde om onderzoek in te doen. De natuurkunde van dit soort atomen werd een beetje ‘saai’, want we ontdekken waarschijnlijk geen nieuwe spelregels van de natuur meer. Nieuw onderzoek vergroot vooral de nauwkeurigheid van iets wat we al weten en dat is veel minder spannend.
Maar wat nou als je die nauwkeurige gegevens echt nodig hebt? Dan kan ik bijvoorbeeld subsidie aanvragen bij NWO. Meestal kun je andere wetenschappers wel overtuigen van de noodzaak. Maar onderzoeksfinanciers kiezen, via een commissie van collega-wetenschappers, toch vaak voor voorstellen die bijvoorbeeld het mysterie van donkere materie willen oplossen of water willen vinden op andere planeten. Dat is natuurlijk geweldig interessant onderzoek, maar wie doet dan het ‘saaie’ werk? Het is alsof je, in voetbaltermen, alleen wilt betalen voor spitsen die veel kunnen scoren. Om de wedstrijd te winnen heb je ook hardwerkende middenvelders nodig, een sterke defensie en een keeper die goed kan redden. Wie wil daarvoor in de wetenschap de portemonnee trekken?
Steun voor de atoompuzzel
Gelukkig lijken wetenschapsfinanciers als NWO zich dit ook te realiseren. In 2012 heeft een groep wetenschappers in de Verenigde Staten een manifest opgesteld met als doel om wetenschap beter op kwaliteit te gaan beoordelen (DORA). Zo moeten commissies die voorstellen beoordelen niet alleen op het aantal spannende publicaties letten die een onderzoeker heeft, maar ook naar het nut van het onderzoek voor de wetenschap. Op die manier moet het minder spannende, maar belangrijke werk beter gewaardeerd worden en wordt het hopelijk ook makkelijker om dat werk gefinancierd te krijgen.
Vorig jaar heeft ons voorstel om met een paar promovendi en een postdoc ons SPEX-pakket voor te bereiden op de XRISM-satelliet (al in 2021) het net niet gered. NWO heeft aangekondigd dat ze het DORA-manifest dit jaar ondertekenen en de ideeën ervan in de beoordeling van onderzoeksvoorstellen mee gaan nemen. Wie weet kunnen we dan toch nog voor de lancering van de volgende nieuwe ruimtetelescoop de data van atomen nog nauwkeuriger maken. Dan kunnen we ervoor zorgen dat astronomen geen foute conclusies trekken uit nieuwe waarnemingen die gaan komen.
Hoofdfoto: Mijn collega’s in het SRON-laboratorium testen de nieuwste sensoren om streepjescodes van atomen te meten in een koelkast die koelt tot -273,1C. Ik mocht er even aan sleutelen. (Foto: Aurora Simionescu, met dank aan Hiroki Akamatsu en Luciano Gottardi.)
