Een terugblik op 2024
Hou je vast aan de takken van de bomen, want 2025 belooft een enorm interessant jaar te worden voor zowel fysica, chemie, wiskunde, computerwetenschap en ruimtevaart, kortom: voor STEM. Wij kijken alvast uit naar wat de toekomst brengt, maar ook afgelopen jaar viel onze mond geregeld open van verbazing en enthousiasme. Daarom blikken we graag even terug op wat 2024 ons bracht in de wereld van wetenschap.
De nobelprijzen
(foto credits: Google Deepmind)
Hoe kan je beter een doorbraak erkennen dan met een Nobel prijs? Jaarlijks worden er zes Nobel prijzen uitgereikt aan individuen, duo’s of trio’s die een uitzonderlijke ontdekking deden of inspanning leverden. Fysica, chemie, geneeskunde, literatuur, vrede en economische wetenschappen zijn de zes disciplines die onder de loep worden genomen, maar ESERO Belgium was natuurlijk specifiek benieuwd naar de eerste drie; de STEM-gerelateerde prijzen. We geven hier een kort overzicht van de winnaars en hun bijdragen (meer info vind je rechtstreeks op de website van All Nobel Prizes 2024).
De Nobelprijs voor Fysica: Natuurkunde en AI onder één noemer?
De Nobelprijs voor de Fysica 2024 ging naar John Hopfield en Geoffrey Hinton voor hun werk dat de basis legde voor de machine learning-revolutie. Ja ja, je zou het haast vergeten, maar ChatGPT en Gemini zijn slechts modellen die enkel en alleen door menselijk gebruik hebben geleerd hoe ze een goed gesprek met jou kunnen voeren. De twee Nobelprijswinnaars focusten op afzonderlijk werk, dat harmonieus A.I. naar een hoger level tilde. In welke aspecten hebben zij hun aandeel precies gehad? Wel, Hopfield ontwikkelde een netwerk waarmee informatie kan worden opgeslagen en hersteld, zelfs als het incompleet of verstoord is. Hinton breidde dit verder uit door een systeem te creëren dat automatisch patronen in data herkent, wat de basis vormde voor kunstmatige neurale netwerken.
Hun werk leidde tot de ontwikkeling van deep learning, waarbij computers leren van voorbeelden in plaats van stapsgewijze instructies. Dat heeft enorme toepassingen in bijvoorbeeld beeldherkenning en wetenschappelijk onderzoek, zoals het analyseren van data over het Higgs-deeltje of het voorspellen van moleculaire structuren. Kortom, hun innovaties hebben de weg vrijgemaakt voor de artificiële intelligentie van vandaag.
De Nobelprijs voor Chemie: Voorspelbare proteïnen
Voor Chemie ging de Nobelprijs in 2024 naar Demis Hassabis, John Jumper en David Baker voor hun doorbraak in eiwitonderzoek, met behulp van artificiële intelligentie, wat mooi aansluit bij de Nobelprijs voor Fysica. Eiwitten vormden al heel lang een grote uitdaging in de biochemie, omdat ze namelijk moeilijk of niet te voorspellen zijn. Beeld je eiwitten in als een kleine slinger die gekruld is en opgeplooid. De exacte vorm van die krul en plooiing leken tot nu toe vrij random, maar Hassabis en Jumper gebruikten A.I. om de structuur van bijna alle bekende eiwitten te voorspellen. Dankzij dit onderzoek, vooral met hun AI-model AlphaFold2, kunnen onderzoekers nu snel de structuur van eiwitten bepalen. Dat bespaart heel wat tijd en de ontwikkeling van bijvoorbeeld medicijnen, vaccins en nieuwe materialen kan nu vlotter gebeuren. Daarnaast ontwikkelde Baker een methode en een software, genaamd Rosetta, om volledig nieuwe eiwitten te creëren, met nieuwe functies die niet in de natuur bestaan.
De ontdekkingen van deze wetenschappers kunnen belangrijke gevolgen hebben voor nanomaterialen, gerichte farmaceutica, snellere ontwikkeling van vaccins, minimale sensoren en een groenere chemische industrie – om maar een paar toepassingen te noemen die het grootste voordeel voor de mensheid opleveren.
De Nobelprijs voor Geneeskunde: De ontdekking van microRNA als doorbraak in genregulatie
Ten slotte ging de Nobelprijs voor Fysiologie of Geneeskunde 2024 naar Victor Ambros en Gary Ruvkun voor de ontdekking van microRNA en de rol ervan in genregulatie. MicroRNA’s zijn kleine RNA-moleculen die de eiwitproductie remmen of mRNA afbreken. Ze spelen dus een cruciale rol in het reguleren van genexpressie in verschillende cellen. Dit mechanisme is belangrijk voor de ontwikkeling van gespecialiseerde celtypen, zoals spier- en zenuwcellen, en voor het behoud van gezonde lichaamsfuncties.
Ambros en Ruvkun ontdekten dit proces in het modelorganisme C. elegans (wat op een minuscuul, wormachtig diertje lijkt), waar ze opmerkten dat het lin-4-gen een klein RNA produceert dat de activiteit van het lin-14-gen remt, zonder de productie van mRNA te stoppen. Dat klinkt heel technisch, maar kortom leidde hun ontdekking tot de identificatie van honderden microRNA’s in verschillende diersoorten. Tegenwoordig weten we dat microRNA-regulatie onmisbaar is voor de werking van het menselijk genoom en dat verstoringen ervan kunnen bijdragen aan ziekten zoals kanker en aangeboren aandoeningen. Hun ontdekking heeft dus ons begrip van genregulatie uitgediept en is van groot belang voor de evolutie van complexe organismen. Wanneer je als leerkracht biologie in het secundair onderwijs dus het thema DNA en RNA aansnijdt, kan dit een leuk wist-je-datje zijn, of zelfs een onderwerp voor een uitbreidingsles.
Ruimtevaart in 2024, een heus schouwspel
(Foto credits: Space.com; Stellarium)
Ook in de ruimtevaartsector werden we regelmatig verrast door zowel leuke als minder leuke nieuwigheden. Enkele highlights die bij het ESERO Belgium team in het oog sprongen.
De Grote Ring (Alexia Lopez)
Herinner je je nog de ontdekking van de “Big Ring”? Dat is de gigantische ring van galaxies met een omtrek van ongeveer 4 miljard lichtjaar, die afgelopen jaar werd ontdekt. Om je even een idee te geven: onze Melkweg heeft een omtrek van ongeveer 330 000 lichtjaar. De “Big Ring”, of Grote Ring, is dus meer dan 12 000 keer groter dan onze Melkweg. Ongelooflijk.
Daarbij bevindt hij zich in de buurt van een nóg grotere structuur, met de al even originele benaming, de “Gigantische Boog”. Deze heeft een omtrek van wel 10,3 miljard lichtjaar. Beide structuren werden ontdekt dankzij observaties van Alexia Lopez, een Ph.D. student, die ze niet vond omdat ze helder waren, maar het net het tegengestelde. De structuren absorberen het licht van quasars, wat de binnenste, super heldere delen van actieve sterrenstelsels zijn.
Echter, deze gigantische structuren passen niet echt in de huidige kosmologische theorie. Volgens de huidige theorie zou het heelal op grote schaal gelijkmatig moeten zijn en mogen er geen enorm grote structuren zijn die zich onderscheiden. Maar de Grote Ring en de Gigantische Boog zijn zo groot dat ze dit principe tarten. De theorie zegt ook dat de grootste structuren niet groter zouden moeten zijn dan 1,2 miljard lichtjaar, maar deze structuren zijn veel groter, zo blijkt.
Er zijn wel meer superstructuren ontdekt in de loop der jaren, zoals de Sloan Great Wall en de South Pole Wall, die ook gigantisch zijn, maar de Grote Ring en de Gigantische Boog leken een stap verder te gaan. De ontdekking riep nieuwe vragen op over de natuur van ons universum en kan zelfs wijzen op nieuwe fysica die we nog niet begrijpen. Meer info via Space.com.
Vast in de ruimte
Een iets korter verhaal is dat van astronauten Sunita Williams en Butch Wilmore, of ja, voor hen was het niet zo’n kort verhaal. Wat een 8-daagse missie moest zijn, veranderde in een missie op het ISS die 8 maanden lang duurde. Door technische problemen met de Boeing Starliner, een NASA toestel, konden de astronauten niet tijdig naar huis reizen en vierden ze zowel Thanksgiving en Kerstmis in de ruimte. Hun uitgebreid verblijf op het ISS werd uiteindelijk beeïndigd met behulp van het bedrijf SpaceX. Zij stuurden een SpaceX Dragon Capsule, die Williams en Wilmore veilig thuis bracht. Een heus avontuur voor de twee dus!
Einstein weer bevestigd
In mei 2024 verscheen er een artikel van de University of Oxford en de Monthly Notices of the Astronomical Society waar Einstein ongetwijfeld heel blij van zou zijn geworden. Onderzoekers van de Universiteit van Oxford deden een ontdekking die Einstein’s theorie over zwarte gaten bevestigt. Ze hebben het eerste bewijs gevonden van een “duikregio” (“plunging-region”) rond zwarte gaten, het gebied waar materie niet meer rond het zwarte gat draait, maar er recht in valt. Deze regio blijkt één van de sterkste zwaartekrachten in ons sterrenstelsel te hebben. Dat is niet vreemd aangezien zwarte gaten ook gigantische massa’s hebben, dat toonde Einstein ons toch… in theorie.
Tot nu toe wisten we van de theorie, maar dit was de eerste keer dat we het daadwerkelijk konden waarnemen. Het is alsof je een rivier observeert die ineens verandert in een waterval, en dit was onze eerste blik op die waterval. De onderzoekers gebruikten röntgendata van NASA’s telescopen NuSTAR en NICER om het te onderzoeken.
Einstein had voorspeld dat de materie zich niet meer in cirkels zou bewegen dichtbij een zwart gat, maar in plaats daarvan in een rechte lijn zou vallen met bijna de snelheid van het licht. De onderzoekers keken voor het eerst diep in deze “duikregio” en ontdekten hoe het plasma dat van sterren afkomt uiteindelijk het zwarte gat binnenvalt. Hun onderzoek richtte zich op kleinere zwarte gaten dichtbij de aarde, maar er is momenteel ook een groter project gaande. Een nieuw team van Oxford werkt samen aan een telescoop die ons in staat zou stellen om direct beelden van grotere zwarte gaten te maken, ook die in het centrum van ons sterrenstelsel.
Andere doorbraken
Om af te sluiten, geven we nog enkele andere doorbraken mee voor zij die geïnteresseerd zijn in Fysica. Naast de Nobelprijs zijn er namelijk nog vele andere interessante onderzoeksonderwerpen de revue gepasseerd in 2024. We halen er kort nog even drie aan.
Dark matter – Dark matter dat het universum steeds sneller doet uitbreiden, lijkt te verzwakken. Dat gaat in tegen het huidige idee. Dit zou de grootste ontdekking in 25 jaar kunnen zijn, volgens Adam Riess, die dark matter in 1998 ontdekte. Het DESI-team (Dark Energy Spectroscopic Instrument) heeft een gigantische kaart van de kosmos gemaakt en drie verschillende metingen wijzen allemaal in dezelfde richting: dark matter is misschien niet zo constant als we dachten. Dit onderzoek laat zien dat de deeltjes van donkere materie misschien anders met elkaar omgaan dan we dachten, en niet alleen via zwaartekracht zoals we altijd aannamen. Deze interacties zouden de manier kunnen veranderen waarop donkere materie zich gedraagt in sterrenstelsels en ook invloed hebben op hoe sterrenstelsels zich vormen en ontwikkelen. Dit kan ons helpen om een beter en dieper begrip te krijgen van de rol van donkere materie in het ontstaan van het universum.
Quantum tornado’s in een Supersolid – Fysici hebben bewijs gevonden voor de exotische fase van materie, een ‘supersolid’, die tegelijkertijd de stijfheid van een vaste stof en de vloeiendheid van een vloeistof heeft. In een laboratorium in de Oostenrijkse Alpen werden microscopische tornado’s (vortexen) geobserveerd in een supersolid, bevestigd door drie jaar experimenten. Deze ontdekking is belangrijk voor het begrijpen van extreme omstandigheden in het universum, zoals in neutronensterren. Een supersolid ontstaat wanneer atomen zich als een kristal organiseren, maar zich tegelijkertijd als een supervloeistof gedragen zonder wrijving. Dat paradoxale gedrag werd voorspeld in 1957 in theorie, maar de recente experimenten in praktijk bevestigen eindelijk dat het bestaat. De ontdekte vortexen kunnen ook helpen om pulsarverstoringen in neutronensterren te verklaren, waar vermoedelijk een supersolide kern aanwezig is. Fysici hopen dat de studie van deze supersoliden ons meer inzicht kan geven in zowel de fysica van extreme sterren als nieuwe toepassingen in materialen zoals supergeleiders.
Surfaceology – In 2022 ontdekte Carolina Figueiredo uit Princeton dat drie verschillende theorieën over subatomaire deeltjes dezelfde resultaten gaven, wat suggereerde dat ze verbonden waren door een verborgen structuur. Dit maakt deel uit van het onderzoek van haar begeleider, Nima Arkani-Hamed, die gelooft dat de gebruikelijke concepten van ruimte-tijd slechts benaderingen zijn van diepere principes. Figueiredo introduceerde in 2024 een nieuwe methode, “surfaceology”, die eenvoudiger is dan traditionele manieren van kwantumfysica berekenen en niet afhankelijk is van supersymmetrie. Dit werk zou kunnen leiden tot het uitdiepen van de kwantumzwaartekracht en zelfs de oorsprong van het universum.
Bronnen
Ananthaswamy, A., & Ananthaswamy, A. (2024, January 23). New theory suggests chatbots can understand text. Quanta Magazine. https://www.quantamagazine.org/new-theory-suggests-chatbots-can-understand-text-20240122/
Chandrasekaran, L., & Chandrasekaran, L. (2024, May 1). Scientists find a fast way to describe quantum systems. Quanta Magazine. https://www.quantamagazine.org/scientists-find-a-fast-way-to-describe-quantum-systems-20240501/
Cooper, K. (2024, January 22). An impossibly huge ring of galaxies might lead us to new physics. Here’s how. Space.com. https://www.space.com/big-ring-galactic-superstructure-celestial-anomaly
Feldman, A. (2024, October 17). Could dark matter particles be colliding? Advanced Science News. https://www.advancedsciencenews.com/could-dark-matter-particles-be-colliding/
First proof that “plunging regions” exist around black holes in space. (2024, May 17). University of Oxford. https://www.ox.ac.uk/news/2024-05-17-first-proof-plunging-regions-exist-around-black-holes-space#:~:text=Using%20X%2Dray%20data%20to,and%20instead%20falls%20straight%20in.
Savitsky, Z., & Savitsky, Z. (2024, November 6). Physicists spot quantum tornadoes twirling in a ‘Supersolid.’ Quanta Magazine. https://www.quantamagazine.org/physicists-spot-quantum-tornadoes-twirling-in-a-supersolid-20241106/
Wood, C., & Wood, C. (2024, September 18). Dark energy may be weakening, major astrophysics study finds. Quanta Magazine. https://www.quantamagazine.org/dark-energy-may-be-weakening-major-astrophysics-study-finds-20240404/
Wood, C., & Wood, C. (2024b, September 25). Physicists reveal a quantum geometry that exists outside of space and Time. Quanta Magazine. https://www.quantamagazine.org/physicists-reveal-a-quantum-geometry-that-exists-outside-of-space-and-time-20240925/
