In de ruimte is er geen geluid, toch? Dat is niet helemaal waar: door sommige delen van de ruimte kan geluid zich best goed verplaatsen.
Beeld: Geluid in de vorm van schokgolven helpt bij het vormgeven van de prachtige structuren van sommige supernovarestanten, zoals te zien is in deze afbeelding van de Veilnevel, gemaakt met de Hubble-ruimtetelescoop. Credit: NASA, ESA, Hubble Heritage Project
'In de ruimte hoort niemand je schreeuwen.'
Die legendarische slogan (van Alien, een van de beste sciencefiction-horrorfilms ooit gemaakt), is gebaseerd op een belangrijke aanname die de meesten onder ons maken: de ruimte is leeg. En dat is ook grotendeels zo. Maar niet helemaal, er zijn wel degelijk deeltjes daar tussen de sterren. En soms zijn er daar genoeg van om een beetje lawaai te kunnen maken.
Dus misschien moeten we die aanname herzien. In de ruimte hoort niemand je schreeuwen, tenzij je hard genoeg en op de juiste plek schreeuwt.
Wat we waarnemen als een 'geluid' is eigenlijk gewoon een trilling die zich door een bepaald soort materie verplaatst (wetenschappers noemen dat een medium). De muziek waarnaar ik luister terwijl ik deze woorden schrijf, is ook zo'n trilling. Ze wordt gecreëerd door de elektriciteit die door de magneten in de luidsprekers van mijn computer stroomt. De magneten laten een membraan heen en weer bewegen. Die membraan duwt op zijn beurt op de omringende luchtdeeltjes en creëert zo een geluidsgolf. Dat is een golf van lichtjes gecomprimeerde en gedecomprimeerde lucht die mijn oren bereikt. Wetenschappers noemen deze geluidsgolf ook wel een akoestische golf. Tot slot beweegt er naar aanleiding van de geluidsgolf in mijn binnenoor een ander membraan die signalen doorstuurt naar de hersenen, waar de signalen worden geïnterpreteerd als muziek.
Akoestische golven planten zich voort in een medium door atomen en moleculen met elkaar te laten botsen. Voor mijn muziek is dat medium lucht. Maar je kan ook onder water geluiden horen of door vaste materie als je je oor ertegen houdt. Golven planten zich daar anders in voort dan in lucht, omdat ze verschillen in dichtheid en samenstelling. Maar het principe blijft eigenlijk hetzelfde.
Hoe leeg is leeg?
Als de ruimte daadwerkelijk leeg zou zijn, dan zou de slogan van Alien zonder enige twijfel wel correct zijn. En in het algemeen is het ook waar. Naar menselijke standaarden behoudt de ruimte haar reputatie.
Maar die standaarden vormen geen goede basis voor vergelijkingen. Als je wilt begrijpen waarom, dan heb je een algemeen beeld nodig van de grootteordes van de verschillende hoeveelheden van geluidsdragende materie in de ruimte. Laten we het woord "deeltje" gebruiken als algemene term voor dat materiaal. Het kan verwijzen naar om het even welke individuele eenheid van materie — een atoom, een molecule, een subatomair deeltje, enzovoort.
Met dat in het achterhoofd, stel ik me de vraag: Hoe leeg is leeg? Een vacuümkamer in een laboratorium bevat bijvoorbeeld ongeveer een biljoen deeltjes per kubieke centimeter (cm3). Dat lijkt misschien wel veel. Maar dat is een deeltjesdichtheid die miljoenen keren lager is dan dat van de lucht die je nu inademt. Die bevat namelijk maar liefst tientallen triljoenen moleculen per cm3.
Hoe relatief leeg zo'n vacuüm in een lab ons nog mag lijken, als je het vergelijkt met de ruimte lijkt het op een soep. Interplanetaire ruimte is veel ijler. Het telt maar enkele tientallen deeltjes per kubieke centimeter. Bij een zonnestorm kan die dunne materie meer dan een miljoen deeltjes per cm3 bevatten, maar dat is nog altijd minder dan vrijwel alle vacuüms op aarde, op een handjevol ultrahoge vacuüms na.
En de ruimte tussen de sterren — het interstellaire medium — is nog ijler. Het bevat niet meer dan 100 deeltjes per kubieke meter (m3) of gemiddeld 0,0001 per cm3. Intergalactische ruimte, de echte diepe ruimte tussen de sterrenstelsels, heeft een gemiddelde van slechts één deeltje per m3. Schreeuw de longen maar uit je lijf. Niemand zal je daar horen.
Een vacuümkamer in een laboratorium bevat ongeveer een biljoen deeltjes per kubieke centimeter
Je hebt ondertussen waarschijnlijk al wel door dat niet alle ruimte even ijl is. In nevels en andere hemelgebieden is er een grotere deeltjesdichtheid. Zo bedraagt de dichtheid van een schitterend verlichte gaswolk zoals de Orionnevel doorgaans rond de 10.000 deeltjes per cm3. De dichtheid op andere plekken in het heelal kunnen wel een stuk hoger liggen. Neem bijvoorbeeld Barnard 68, een kleine, koude en dichte moleculaire wolk. Die heeft een dichtheid van ruwweg een miljoen deeltjes per cm3. Dat is veel minder dan in een vacuüm in een lab. Maar in de uitgestrekte ruimte kunnen zelfs de hele kleine deeltjesdichtheden tellen, waardoor zelfs de ijle materie van Barnard 68 voldoende is om vrijwel al het licht te absorberen dat er normaal gezien gewoon doorheen zou gaan. Sommige gigantische moleculaire wolken hebben heel compacte kernen, die een dichtheid kunnen hebben van maar liefst een miljard deeltjes per cm3.
Maar zelfs daar zal je schreeuw niet ver komen. Er zijn daar simpelweg niet voldoende deeltjes die tegen elkaar kunnen botsen. De akoestische golf kan zich er dus niet voortplanten. Als je wilt dat geluid zich door de ruimte kan verplaatsen, dan heb je een veel luidere bron nodig die werkt over enorme volumes.
Een exploderende ster knalt bijvoorbeeld aan zeer hoge snelheid enorme hoeveelheden materie de ruimte in. De ejecta, het geheel van de uitgestoten deeltjes, slaat zo hard in op zoveel van het interstellaire medium dat voldoende deeltjes elkaar raken om er een akoestische golf te maken.
De snelheid van die golf hangt af van de dichtheid van het medium. Maar in een typische nevel bedraagt die ongeveer 10 kilometer per seconde (km/s). Dat is veel sneller dan de snelheid van het geluid op aarde die minder dan 1 km/s bedraagt. Voor ons aardlingen is dat dus razendsnel. De materie van een exploderende ster laat ons (bij wijze van spreken) in het stof bijten. Het baant zich een weg door het omringende gas aan letterlijk supersonische snelheden. Daardoor ontstaan schokgolven, net zoals wanneer een straaljager door de geluidsmuur vliegt. De materie rond de exploderende ster wordt samengedrukt door de schokgolven, wat prachtige draden en slierten van gas oplevert die je wel vaker ziet in de uitdijende stofwolken van een supernova.
Verrassend genoeg is de snelheid van het geluid in een nevel niet enkel relevant voor de mysterieuze astrofysica. Het blijkt ook belangrijk te zijn voor ons bestaan hier op aarde. Wanneer een dichte klomp van gas en stof in een moleculaire wolk ineenstort, dan vlakt het af en neemt die de vorm aan van een schijf rondom de nog maar pas gevormde ster. De algemene dichtheid van zulke schijven is volgens zeer ruwe schattingen tussen een tiental of een honderdtal biljoen deeltjes per cm3. Dat is dichter dan een vacuüm in een lab maar is nog steeds heel ijl vergeleken met bijvoorbeeld lucht. Ik zou zeggen dat dit nog steeds behoort tot de categorie 'ruimte'. Maar het is wel voldoende om geluidsgolven in stand te houden, wat belangrijk is. Als de materie dicht genoeg is, dan wordt die viskeus en zelfs turbulent, wat ervoor zorgt dat klompjes materie kunnen uitgroeien tot planeten. Deze omstandigheden hangen af van de snelheid van geluid in de schijf. Zonder die snelheid zouden deeltjes de neiging hebben om in een baan rond de ster te draaien en zouden er geen planeten kunnen ontstaan.
Met andere woorden, zonder geluid in de ruimte, zouden we er nu niet zijn om het te hebben over geluid in de ruimte. Het mag dan wel ingaan tegen de conventionele wijsheid, maar ik ben bereid om hard genoeg te roepen om mijn stem te laten horen.
Dit artikel verscheen eerder in Scientific American. Vertaling: Maxim Garvelink
