Zwarte gaten en wormgaten in Interstellar

Fysicus Kip Thorne bouwde voor de nieuwe ruimtereisfilm Interstellar een zwart gat in de computer. Wat hij daarin ontdekte, had niemand van te voren verwacht.

Stel dat we in de toekomst de grondstoffen op Aarde zo uitputten dat we niet anders kunnen dan onze heil tussen de sterren zoeken? Die vraag stelt de nieuwe sciencefictionfilm Interstellar van succesregisseur Christopher Nolan, die vanaf morgen (donderdag 6 november) in Nederland in de bioscoop te zien is. Voor Scinetific sprak ik met het wetenschappelijk meesterbrein achter de film: de theoretisch-fysicus Kip Thorne.

Liefhebbers van wetenschap, sciencefiction en goede films (waaronder ikzelf) kijken al sinds vorig jaar reikhalzend uit naar Interstellar. Het is de ultieme menging van twee van mijn favoriete werelden. Aan de ene kant gaat Interstellar over speculatieve natuurkunde en toffe, extreme onderwerpen als zwarte gaten, wormgaten en tijddilatatie (het effect waarbij de tijd gekke dingen gaat doen wanneer je heel snel beweegt). Aan de andere kant is Interstellar een aanstaande, kwalitatief hoogstaande blockbuster uit Hollywood. De nieuwe film van sterregisseur Christopher Nolan, die de laatste jaren goede sier maakte met intelligente genrefilms als Inception en de Dark Knight-trilogie, wordt internationaal al goed ontvangen.

De trailer van Interstellar

The Final Frontier

Kip Thorne

Centraal in de film staat de ultieme final frontier, zoals Star Trek dat zo mooi zegt: de diepe ruimte voorbij de grenzen van ons zonnestelsel. Het is een gebied waar wij tot nu toe alleen nog met de Voyager-sonde een voorzichtige eerste stap hebben gezet, en die werd al in de jaren zeventig gelanceerd. De ruimte is namelijk groot, heel erg groot. Stel bijvoorbeeld dat je naar Alpha Centauri wil vliegen, de dichtstbijzijnde ster met een afstand van 4,3 lichtjaar tot de zon. Dan moet je flink wat kilometers vreten. ‘Als je die reis vergelijkt met een vlucht van New York naar Perth in Australië, aan de andere kant van de aarde, dan staat onze reis naar de maan gelijk aan een afstand van 7 centimeter’, zegt Kip Thorne, de theoretisch-fysicus wiens ideeën ten grondslag liggen aan Interstellar. Met andere woorden: wat we tot nu toe met onze bemande ruimtevaart hebben gepresteerd, stelt niet zo vreselijk veel voor.

Daarom moet een film waarin personages reizen naar de sterren, speculatieve kunstgrepen doen. ‘Je komt dan al snel uit bij wormgaten’, zegt Thorne. Wormgaten zijn tunnels door het spul waarvan de werkelijkheid is gemaakt. Ze zorgen voor sluiproutes door de kosmos waarmee je gigantische afstanden in korte tijd kunt afleggen zonder dat je de belangrijkste regel van Einstein hoeft te breken: niets kan sneller bewegen dan het licht.

Speculaties

Er is alleen één probleem met wormgaten. Tot nog toe weet niemand zeker dat ze bestaan. ‘Er is voldoende bewijs dat wel in die richting wijst, maar niemand weet het zeker’, zegt Thorne. Een groter probleem is dat als wormgaten inderdaad bestaan, het onwaarschijnlijk is dat ze open blijven of groot genoeg zijn om doorheen te kunnen vliegen. Er bestaan wel ideeën over hoe dat tóch zou kunnen, en die heeft Thorne verwerkt in de wetenschappelijke basis waarop Interstellar rust. ‘Maar’, stelt hij, ‘dat zijn wel speculaties voorbij de grenzen van de gevestigde wetenschap.’

Het ruimteschip uit Christopher Nolan’s Interstellar

Er was Thorne veel aan gelegen om Interstellar zo wetenschappelijk nauwkeurig mogelijk te maken. Al sinds hij Contact zag, een sciencefictionfilm  gebaseerd op een boek van zijn inmiddels overleden collega-astronoom en vriend Carl Sagan, wilde Thorne ook zelf graag een film maken die wetenschappelijk helemaal in orde is. ‘Zover ik weet is deze film de eerste keer sinds Contact dat een wetenschapper vanaf het begin verbonden is aan een film’, zegt Thorne. Hij had Sagan overigens destijds aangespoord om in het boek Contact een wormgat te gebruiken als methode van interstellaire reizen, een idee dat de filmmakers later over namen.

Thorne had al voordat hij in contact kwam met regisseur Christopher Nolan en diens broer (en scriptschrijver) Jonathan, een idee voor een film over interstellair reizen door wormgaten. Dat idee ontwikkelde hij samen met filmproducer Lynda Obst, die hij kent sinds Carl Sagan hen elkaar jaren eerder aan elkaar voorstelde. ‘Toen Jonathan Nolan erbij kwam, herschreef hij het script’, zegt Thorne over de eerste Nolan die zich aan het project verbond. ‘Toen Christopher erbij kwam, herschreef hij het script weer en inmiddels lijkt het verhaal van de film totaal niet meer op wat Linda en ik ooit bedachten. Maar de wetenschap en onze visie, dat is bewaard gebleven. Ik had regelmatig brainstormsessies met Christopher en Nolan en ook zij waakten ervoor dat de wetenschap in deze film goed klopt.’

800 Terabyte

Een van de resultaten van dat nauwe overleg is iets dat vermoedelijk de meest wetenschappelijk correcte special effect ooit is: een uitgebreide simulatie van een gigantisch zwart gat. ‘Dat zwarte gaten bestaan is een feit’, zegt Thorne, die de natuurkundige formules bij elkaar zocht die het gedrag van zo’n zwart gat beschrijven. Die formules leverde hij aan special effects makers Double Negative. Daar bouwden programmeurs een extreem-hoge-resolutie-versie van een zwart gat, dat uiteindelijk ongeveer 800 terabyte aan data besloeg. Sommige individuele frames kosten bijna honderd uur om in de computer te renderen. Dat geeft aan hoeveel detail het zwarte gat moest hebben.

Het resultaat is uiteindelijk wat Thorne betreft goed geslaagd. ‘Onze simulatie heeft een prachtige accretieschijf om het zwarte gat’, zegt Thorne. Een accretieschijf is de schijf van stof en gas die zich dankzij de zwaartekracht om een hemellichaam zoals een zwart gat kan bevinden. ‘Bovendien zijn er mooie effecten van zwaartekrachtslensing zichtbaar’, zegt hij, waarmee hij doelt op het bizarre feit dat hele zware voorwerpen licht kunnen afbuigen en zo als een soort lens kunnen fungeren.

Roodverschuiving

Thorne kreeg het niet voor elkaar de simulatie honderd procent natuurgetrouw te maken. Wat hij niet opnam was de roodverschuiving – het effect dat een bewegend voorwerp van kleur verandert, op dezelfde manier waarop het geluid van de sirene van een langsrazende ambulance in toon varieert. ‘De ene kant van de simulatie had eigenlijk meer rood moeten zijn, en de andere meer blauw’, zegt Thorne. Bovendien had er ook nog eens een verschil in helderheid moeten zijn. ‘Met pijn in ons hart, kozen we ervoor dat niet in de film te stoppen, omdat een massapubliek dat gegarandeerd niet had begrepen.’

In tegenstelling tot een gewone astrofysische simulatie, bevat het in de film getoonde zwarte gat nog iets anders: lensflares. Op verzoek van Nolan zorgde het special effects team er met de hulp van Thorne voor dat de kijker het zwarte gat zou zien zoals deze eruit zou zien als je hem zou filmen door een echte camera. ‘Daarvoor moesten we rekening houden met verstrooiing en afbuiging van licht in de camera’, zegt Thorne. Het resultaat was een schittering dat een gedeelte van het zwarte gat aan het zicht onttrekt. ‘Ik vond dat jammer omdat dat een deel van de achterliggende wetenschap verbergt, maar Nolan vond het prachtig omdat dit echt is wat je door een camera zou zien’, zegt Thorne.

Minidocu: zo bouw je een zwart gat

Lichtpatroon

De simulatie was bovendien zo nauwkeurig dat Thorne op iets onverwachts stuitte. ‘We ontdekten een vreemd, prachtig, complex lichtpatroon in onze simulatie’, zegt hij. ‘Daarin zien we verschillende keren patronen van de achterliggende sterren en de achterliggende hemel.’ Maandenlang dachten Thorne en de special effects bouwers dat er een fout in hun software zat. ‘Maar we bleven er maar op uit komen, we konden dit effect niet weg krijgen’, zegt Thorne. Op een gegeven moment realiseerde hij zich dat het een gevolg was van de speciale relativiteitstheorie die zorgde voor vreemde tijdseffecten rond het zwarte gat. Maar, voegt hij eraan toe: dat is nog maar een vermoeden. ‘Dit is een mysterie dat nog opgelost moet worden.’

Het zwarte gat in Interstellar komt uit de vergelijkingen van theoretisch-fysicus Kip Thorne

Thorne verwacht daar nu een wetenschappelijke publicatie aan te kunnen wijden. Samen met een andere publicatie over hoe de simulatie wiskundig in elkaar steekt, kan Thorne dankzij zijn werk aan interestellar dus tweemaal een artikel indienen bij een vakblad – een overwachte bonus bij een project voor een Hollywoodproductie.

Overigens zijn de zwarte gaten in de film niet hetzelfde als wormgaten, hoewel mensen de twee nog weleens willen verwarren. Wormgaten zijn speculatief, en zwarte gaten bestaan echt – maar dat is niet het enige verschil. ‘Het zijn eigenlijk totaal verschillende objecten’, zegt Thorne, hoewel ze wel allebei voortkomen uit eenzelfde soort oplossing van de achterliggende wiskunde van de algemene relativiteitstheorie. ‘Maar als wormgaten open moeten blijven en dingen erin en eruit kunnen vliegen, zijn ze echt iets anders. Ze hebben dan geen waarnemingshorizon, zoals een zwart gat dat wel heeft, en ook geen singulariteit in hun binnenste.’

Of we binnenkort echt naar de sterren kunnen vliegen, weet nog niemand. Wel kunnen we nu al met een bak popcorn op schoot genieten van wat vermoedelijk de meest wetenschappelijk verantwoorde film van dit jaar zal blijken.