Virtual reality moet studenten zwart gat laten ervaren

Stel je voor: je stapt aan boord van een ruimteschip, vliegt naar de rand van een zwart gat en kijkt uit het raam. Wat je dan ziet is spectaculair, zegt Bijoy Bera, universitair docent aan de TU Delft. “Allerlei objecten en zelfs lichtstralen worden in het zwarte gat gezogen. De zwaartekracht van een zwart gat is zo sterk dat niets eruit kan ontsnappen.” Het is natuurlijk science fiction om naar dat zwarte gat te vliegen. Of niet? Wat als je dit zou kunnen ervaren in virtual reality?  

Snelheid van het licht

Door experimenteren leerden studenten meer over de relativiteitstheorie dan door uitleg, zo merkte Bera. Een paar jaar geleden ontwikkelde hij daarom voor bachelorstudenten al eens een omgeving in virtual reality waarin een trein met de snelheid van het licht reist. “Dat vonden ze interessant. Het leek ook een beetje op gamen, met die VR-bril.” 

Na dit succes wilde Bera het experiment uitbreiden met de algemene relativiteitstheorie en zwarte gaten. “Ik weet zelf weinig van VR-ontwikkeling, maar ik weet wel goed wat ik ermee wil dóén. Dus moet ik samenwerken met programmeurs.”

Keerpunt 

De film Interstellar van Christopher Nolan wordt door natuurkundigen geroemd om de manier waarop deze visualiseert hoe het is als je dichtbij een zwart gat bent. “Die film was een keerpunt voor mij: ik begon toen serieus over dit vakgebied na te denken.” Het idee voor de film komt van de beroemde astrofysicus Kip Thorne, die ook uitvoerend producent was. “Ze hebben voor de film de vergelijkingen van een zwart gat in een visualisatieprogramma gestopt. Dat leek mij een goed beginpunt: als ik dit niet alleen op een scherm kan laten zien maar ook in een VR-omgeving, heb ik mijn doel bereikt.”

In deze visualisatie vervormt het zwarte gat het licht van sterren op de achtergrond. Zo projecteert de ring rond het zwarte gat, een zogeheten Einsteinring, lichtstralen van sterren direct áchter het zwarte gat. 
 

Supermoeilijk 

Bera stuurde een mail naar Thorne en verwachtte eigenlijk geen antwoord, maar binnen een paar uur kreeg hij een reactie. “Een beknopte reactie, maar wel met alle informatie die ik nodig had. Hij schreef: deze berekeningen zijn supermoeilijk. We hebben er ook over gepubliceerd; zie dat en dat artikel.” Thorne dacht niet dat het haalbaar zou zijn om er een onderwijsproject van te maken.

Complexe natuurkundige problemen 

“Het gaat hier om een van de moeilijkste vergelijkingen in de natuurkunde; die moet je goed kunnen begrijpen. Ik kan ze zelf wel volgen. Maar ik wil ze visualiseren zodat de resultaten niet abstract blijven en ook voor een leek te begrijpen zijn. Daarvoor had ik een team nodig dat ervaring heeft met het visualiseren van complexe natuurkundige problemen. Dat is erg duur, vooral vanwege de tijd die het kost. En zoveel geld en tijd heb je in een onderwijsproject niet.”

Toegankelijke en open software

Een perfecte ontmoeting bood uitkomst, toen Bera begin dit jaar de natuurkundeconferentie NWO Physics bezocht. Daar gaf Ben de Vries, visualisatie-expert bij SURF en zelf sterrenkundige van huis uit, een demo van de visualisatiesoftware voor zwarte gaten die hij recent had ontwikkeld. “Ik hoorde van onderzoekers dat ze behoefte hebben aan toegankelijke en open software die berekeningen maakt in sterk gekromde ruimtetijd”, licht De Vries toe.

“Is dit wat ik denk dat het is?” 

Voor onderwijsdoeleinden ontwikkelde De Vries curvedpy vervolgens door, zodat de tool integreert met een custom render-engine die hij bouwde voor Blender, een open-source 3D-graphicsprogramma. Een render-engine, ook wel raytracer genoemd, is software die berekent hoe licht zich door de gekromde ruimtetijd beweegt in een virtuele 3D-omgeving. Het resultaat: je kunt langs een zwart gat reizen en met eigen ogen zien hoe dat er volgens de theorie uitziet. Bera stapte op De Vries af: “Is dit wat ik denk dat het is?”, vroeg hij. “Dat is precies wat ik nodig heb voor mijn onderwijs!”

In de afbeelding hierboven kun je meerdere effecten waarnemen die te maken hebben met het buigen van lichtstralen. Normaal gesproken zou bijvoorbeeld het deel van de schijf achter het zwarte gat niet zichtbaar zijn, maar nu kunnen we zowel de bovenkant als de onderkant van de schijf - achter - het zwarte gat zien. 
 

Uitdagingen

Sindsdien werken ze intensief samen om de software door te ontwikkelen tot een VR-toepassing die Bera voor zijn master-onderwijs kan gebruiken. “We hebben elkaar pas twee maanden geleden ontmoet, maar het voelt alsof we al een jaar samenwerken”, zegt Bera. “Het is nog niet op het niveau dat ik wil, we zijn nog erg aan het zoeken en er zijn veel uitdagingen.”

Gezocht: VR-developer 

De TU Delft heeft een eigen VR-lab, maar dat heeft niet genoeg expertise op dit gebied. “Zij zijn er vooral om docenten binnen de TU te ondersteunen, en een zwart gat is geen prioriteit voor een technische universiteit. We zijn dus nog op zoek naar een VR-developer die de berekeningen van Ben in virtual reality kan implementeren. Deze berekeningen kosten bovendien veel rekenkracht. Zonder de rekenfaciliteiten en expertise van SURF kon ik dit nooit doen.”

Visualisatie van de zon die rond een zwart gat draait. De buiging van lichtstralen creëert effecten zoals meerdere beelden van de bol (als de bol opzij ligt, zie je een vaag tweede beeld van de bol aan de andere kant van het zwarte gat) en je kunt de bol zelfs zien als deze zich direct achter het zwarte gat bevindt (de bol wordt geprojecteerd in een Einstein-ring rond het zwarte gat). 
 

Fantastisch

Het zal dus nog zeker een jaar duren voordat studenten dit VR-experiment kunnen ervaren in de collegezaal, verwacht Bera. Vervolgens wil hij het experiment uitbreiden met verschillende variaties. “Het zou fantastisch zijn als een student over vijf jaar kan ervaren hoe het is als je een zwart gat induikt. Niemand weet echter hoe de kern van een zwart gat eruit ziet, dus dat zal meer speculatie zijn dan simulatie.” Met een lachje: “In Interstellar hebben ze dat wel gedaan. Maar ons doel als onderwijsmensen is niet om mensen een SF-film te laten zien; we willen studenten échte natuurkunde laten ervaren.”

Tekst: Josje Spinhoven
Afbeeldingen: Ben de Vries, gemaakt in Blender met de Black Hole Render Engine