Skanowanie nieba

Prof. Udalski jest również projektantem i konstruktorem unikalnych na skalę światową instrumentów astronomicznych - szerokokątnych kamer mozaikowych CCD. Laureat wielu prestiżowych nagród, m.in. Nagrody Prezesa Rady Ministrów za wybitne osiągnięcia naukowe, Nagrody Fundacji na rzecz Nauki Polskiej. W 2009 roku otrzymał najbardziej prestiżowy w Unii Europejskiej indywidualny grant naukowy Europejskiej Rady ds. Nauki w ramach programu POMYSŁY dla doświadczonych naukowców (tylko dwóch polskich naukowców zostało dotychczas wyróżnionych tą nagrodą).

Marek Oramus, "Wiedza i Życie": Zainicjowane przez pana masowe skanowanie nieba wydawało się działaniem wbrew tendencjom panującym w astronomii, bo astronomowie uważali, że niebo jest dość dobrze znane - a wyście to zakwestionowali.

Prof. Andrzej Udalski:- Istotnie, było to całkiem nowe podejście do obserwacji. Ten nasz przełom nastąpił już dość dawno, w przyszłym roku minie 20 lat od rozpoczęcia projektu. W owym czasie astronomowie dostawali po kilka dni na teleskopach, góra tydzień - natomiast nasz pomysł polegał na tym, by obserwować w dużo dłuższych skalach czasowych, tzn. rozpocząć wielki, wieloletni przegląd nieba. Cel w owym czasie był oczywisty: poszukiwanie ciemnej materii metodą mikrosoczewkowania grawitacyjnego. Pomysł pochodził od nieżyjącego już profesora Bohdana Paczyńskiego, ale użycie mikrosoczewkowania do tego celu wydawało się całkowitym science fiction. Idea mikrosoczewkowania była stara, wywodząca się jeszcze od Einsteina. W ten sposób Eddington potwierdził ogólną teorię względności - mierząc ugięcie promieni świetlnych podczas zaćmienia Słońca. W 1986 roku Paczyński w wyniku rozważań czysto teoretycznych odnowił tę metodę i zaproponował jako narzędzie badań astronomicznych. Sądził też, że jej techniczne wykorzystanie będzie melodią przyszłości i nie spodziewał się, że w pięć-sześć lat po opublikowaniu jego słynnej pracy damy radę jego pomysł zastosować w praktyce.

- W 1992 roku udało się przekonać astronomów z amerykańskiego obserwatorium Carnegie, którzy dysponowali teleskopem w Las Campanas w Chile, aby przyznali nam na nasz projekt 80 nocy obserwacyjnych w ciągu sezonu, i tak rozpoczęliśmy przegląd nieba, który okazał się dla astronomii istną kopalnią złota. Po pierwsze, bardzo szybko, bo już w drugim sezonie obserwacyjnym, odnotowaliśmy pierwsze zjawiska mikrosoczewkowania grawitacyjnego. Powstała zupełnie nowa dziedzina eksperymentalnej współczesnej astrofizyki, która w ciągu ostatnich kilkunastu lat bardzo się rozrosła i dostarczyła wielu nowych informacji. To metoda pozwalająca na wykrywanie niewidocznych ciał, w tym np. planet pozasłonecznych. Aby jednak znaleźć choćby jeden przypadek niezwykle mało prawdopodobnego mikrosoczewkowania, trzeba prowadzić obserwacje przez długie miesiące i lata, musimy więc noc w noc monitorować bardzo wiele źródeł światła. Ale dzięki temu uzyskujemy unikalne dane obserwacyjne do realizacji nowych projektów. Wcześniej w sąsiednich galaktykach - Obłokach Magellana - było znanych zaledwie kilkadziesiąt tzw. cefeid, gwiazd służących do wyznaczania odległości w kosmosie. My tych gwiazd znaleźliśmy tysiące. Wykryliśmy i precyzyjnie opisaliśmy zupełnie nowe kategorie gwiazd zmiennych, pulsujących olbrzymów itd. i chyba jest to cenione, bo nasz projekt ma bardzo wysoką markę w świecie naukowym.

- Właściwie nie ma w astronomii podobnych przedsięwzięć, które od 20 lat regularnie przynosiłyby odkrycia z najwyższej półki, o których głośno na świecie.

To skanowanie nieba polega na długofalowym fotografowaniu dużych sektorów nieba i komputerowym porównywaniu ich obrazów.

- Szukamy wszystkiego, co zmienia jasność, gdyż to świadczy, że w obiekcie może się dziać coś ciekawego. Komputer pokazuje nam miejsca na niebie, którym warto się dokładniej przyjrzeć. Dwa lata temu zaczęliśmy kolejną, czwartą fazę naszego projektu, który w tej chwili jest największym na świecie przeglądem fotometrycznym nieba i przez parę lat jeszcze tak zostanie. W ciągu roku zbieramy dziesiątki terabajtów danych, regularnie obserwujemy blisko miliard gwiazd.

- Tak, wiemy o wiele więcej o obiektach, które się na nim znajdują. Z istnienia niektórych 20 lat temu nie zdawaliśmy sobie sprawy. Choćby właśnie ze zjawiska mikrosoczewkowania grawitacyjnego. Przykładów mikrosoczewek jest wiele, inaczej wygląda mikrosoczewkowanie przez pojedynczy obiekt, inaczej przez układ podwójny gwiazd, inaczej przez układ planetarny... Tego rodzaju zjawisk udało się zarejestrować już bardzo dużo, ale nie wątpię, że za 50 lat niebo będzie wyglądało jeszcze inaczej.

Nową kategorią ciał w kosmosie są planety swobodne, które odkryliście ostatnio. Pan twierdzi, że jest ich mnóstwo. Skąd bierze się to przekonanie?

- 20 czy 30 lat temu takie fenomeny wyobrażali sobie raczej autorzy powieści science fiction niż naukowcy. Nauce o tyle trudno było stwierdzić istnienie takich obiektów, że takiego małego ciała, o małej masie i nieświecącego, nie da się zaobserwować nawet największymi teleskopami. Natomiast mikrosoczewkowanie pasuje tu idealnie, bowiem do jego wywołania świecenie soczewki/planety nie jest konieczne, wystarczy posiadanie masy i odpowiednie ustawienie w przestrzeni. Dzięki obserwacjom gwiazd w ramach badań mikrosoczewkowych udało się rejestrować zjawiska trwające coraz krócej: dzień czy nawet parę godzin. Takie krótkotrwałe zjawiska muszą być wywoływane przez obiekty o masach planetarnych i pytanie dotyczyło tylko kwestii, czy są one stowarzyszone z jakimiś gwiazdami, czy nie. Można jednak ustalić, że gwiazda, gdyby była, musiałaby się znajdować daleko - a wiemy, że w układach planetarnych planety sytuują się względnie blisko macierzystych gwiazd. Na tyle blisko, że mikrosoczewkowanie powinno taką gwiazdę wykryć. Stąd wniosek, że prawdopodobnie są to planety samotnie dryfujące w kosmosie. Oczywiście jest to rozumowanie pośrednie, ale na podstawie dzisiejszej wiedzy sądzimy, że przypadków wątpliwych jest mało, a swobodnych planet o wiele więcej.

- Odkryte dotąd planety swobodne są ciałami wielkości Jowisza, ale w fazie OGLE IV praktycznie co kilka dni odkrywamy kandydata na swobodną planetę i spodziewamy się, że niedługo będą to planety mniejsze - wielkości Neptuna.

Pan ma pomysł, skąd się wzięły te planety: podczas planetogenezy zostały wyrzucone ze swych układów w wyniku fluktuacji grawitacyjnych?

- Wśród teoretyków panuje przekonanie, że przy powstawaniu systemów planetarnych, gdy tworzą się masywne planety, niektóre z nich są wybijane na skutek wzajemnych oddziaływań grawitacyjnych i następnie wędrują po pustkach Wszechświata. Z początku nawet nie są takie zimne, ale w trakcie wędrówki stopniowo stygną i w końcu lecą całkowicie zamrożone. Tego typu obiektów musi być dużo, co najmniej tyle, ile gwiazd, bo gdyby było mniej, to byśmy ich tak często nie obserwowali.

- Tak się w tej chwili wydaje. Ale pamiętajmy, że to są wciąż statystyki małych liczb, trzeba by mieć takich obiektów trochę więcej, żeby móc coś dokładniej powiedzieć. Już niedługo będziemy je mieć.

Porozmawiajmy o planetach pozasłonecznych, które zachowały się w układach. Znamy ich prawie 600, ale olbrzymy gazowe krążą w nich bardzo ciasno przy swoich gwiazdach i obiegają je bardzo szybko.

- Te gorące jowisze blisko gwiazd mają swoistą nadreprezentację, bo najłatwiej je wykryć. Pierwszego gorącego jowisza zaobserwowano w 1995 roku. Zadziwienie społeczności astronomicznej było ogromne, bo takich obiektów, tak usytuowanych, nikt się w ogóle nie spodziewał. A wykryć je najłatwiej dlatego, że podstawową techniką jest tu mierzenie przesunięć linii spektroskopowych; przesunięcia są największe wtedy, gdy masywna planeta krąży blisko gwiazdy. Ale w ciągu tych 15 lat technika tak poszła do przodu, że o ile kiedyś mierzyło się przesunięcia prędkości rzędu 100-300 m na sekundę, o tyle dzisiaj mierzy się przesunięcia gwiazd rzędu metra na sekundę. W tej chwili metodą spektroskopową odkrywa się planety o masach rzędu kilku mas Ziemi, też oczywiście położone w miarę blisko swych gwiazd.

- Nasz zespół odkrył kilka gorących jowiszów nowatorską metodą tranzytu jeszcze na początku poprzedniej dekady. Rekordowe obiegały macierzyste gwiazdy tak blisko i tak szybko (28 godzin), że traktowano je początkowo jako odrębną kategorię - bardzo gorących jowiszów. W ostatnich latach znaleziono więcej takich obiektów.

- Mechanizm przesuwania się tych planet ku gwieździe nie jest do końca poznany. One oczywiście nie mogły powstać w tych gorących miejscach, tak blisko gwiazdy, przypuszcza się więc, że utworzyły się podobnie jak wielkie planety w naszym grzecznym układzie, powyżej tzw. linii śniegu. Jest to obszar, gdzie występuje już tak mało promieniowania, że woda przyjmuje postać lodu. Jego kawałki zlepiają się, tworząc zarodzie, wokół których tworzą się potem wielkie planety. Są to z reguły odległości rzędu kilku jednostek astronomicznych. Potem jakiś mechanizm przesuwa wielkie planety w pobliże gwiazdy. Oczywiście nie wszystkie, bo w naszym układzie Jowisz czy Saturn szczęśliwie uniknęły tego losu.

Jedna z teorii głosi, że owe obce jowisze i saturny powstały jak należy, czyli z dala od swych gwiazd, lecz stopniowo zbliżały się do nich po spirali. Innymi słowy, "przeskanowały" cały układ jak igła płytę gramofonową, co spowodowało kataklizmy wśród małych planet. Może to jest mechanizm, który odpowiada za powstawanie planet swobodnych?

- Wydaje się, że do wędrówki wielkiej planety ku gwieździe może dojść we wczesnej fazie planetogenezy, na skutek oddziaływań z resztkami dysku protoplanetarnego w układzie. Zarodzie małych planet, bliżej gwiazdy - jeśli już istnieją - ulegają zniszczeniu lub wyrzuceniu z układu. W późniejszych etapach też może dojść do przemieszczeń planet na skutek oddziaływań grawitacyjnych czy rozmaitych rezonansów. Mało masywne ciała mogą być wówczas ponownie wymiatane z układu i zasilać armię owych kosmicznych wygnańców, pozbawionych własnej gwiazdy.

Jaki los czeka gorące jowisze krążące blisko swych gwiazd?

- Gaz z planety zostaje stopniowo odessany przez gwiazdę i w końcu pewnie pozostaje jedynie małe skaliste jądro takiego obiektu. Może też dojść do jego upadku na gwiazdę. Podejrzewa się, że niektóre rozbłyski gwiazd są wywołane takim spektakularnym wchłonięciem planety przez gwiazdę, ale na razie nikt tego przekonująco nie udowodnił.

Wśród 26 układów planetarnych poza Słońcem znamy jeden jedyny w gwiazdozbiorze Skorpiona - sami go zresztą odkryliście - 5 tys. lat świetlnych stąd, który pozycjami, masami i odległościami wielkich planet przypomina nasz. Może pogląd o powszechności występowania planet typu ziemskiego i układów podobnych do naszego jest zbyt optymistyczny?

- To są wczesne fazy odkrywania planet. Nawet jak spojrzymy na nasz Układ Słoneczny, to okres obiegu Jowisza wokół Słońca wynosi 12 lat, Saturna - 28 lat, a planety poza Słońcem zaczęto dopiero odkrywać 15-16 lat temu. W tym czasie Jowisz wykonałby jedno okrążenie, a Saturn pół. W związku z tym przy naszych pomiarach, które wymagają kilku obiegów odleglejszej planety, żeby mieć pewność, jest za wcześnie mówić, jak te układy naprawdę wyglądają. Ponadto nawet takie masywne planety jak Jowisz, odległe od macierzystych gwiazd, zbytnio ich nie poruszają - Jowisz porusza Słońce o około 10 m/s. Od paru lat jest to już mierzalne, ale upłynął za krótki czas, aby układy podobne do naszego odkrywać masowo metodami spektroskopowymi. Jeśli chodzi o mikrosoczewkowe odkrywanie planet, to znamy ich ok. 20-30, ale jeśli jeden układ, taki jak w Skorpionie, udało się znaleźć, świadczy to o ich powszechności, bo inaczej w tak małej próbce w ogóle by nie wystąpiły.

Czym się różni soczewkowanie grawitacyjne od mikrosoczewkowania?

- Mikrosoczewkowanie dotyczy obiektów należących do naszej Galaktyki. Natomiast soczewkowanie grawitacyjne jest tym samym zjawiskiem fizycznym, tylko w dużej skali.

Soczewkami są galaktyki, które zmieniają bieg promieni odległych kwazarów. Ugięcia czy kąty charakteryzujące to zjawisko są wtedy dość duże, rzędu kilku sekund łuku, w związku z czym widać dokładnie obrazy wywołane przez soczewkującą galaktykę i na przykład obserwuje się kilka obrazów soczewkowanego kwazara. Najbardziej charakterystycznym obiektem obserwowanym w ten sposób jest Krzyż Einsteina - kwazar, który rozpada się na cztery obrazy. Gdyby nie soczewkowanie, oczywiście widzielibyśmy go punktowo. Są to bardzo bliskie siebie na niebie obrazy, rzędu sekundy łuku, ale z powierzchni Ziemi można je rozdzielić.

- W przypadku mikrosoczewkowania odległości do obiektów je wywołujących są rzędu nie milionów lat światła, tylko kilku tysięcy. Wówczas tych obrazów, położonych tysiąc razy bliżej siebie, z powierzchni Ziemi rozdzielić się nie da. Rozdzielczość nawet największych instrumentów jest po prostu za mała. Pozostaje mierzenie większej ilości dochodzącego światła. Być może kiedyś, kiedy mikrosoczewkowanie będzie obserwowane przez satelity astrometryczne, ta sytuacja ulegnie zmianie. NASA planowało wystrzelenie takiego satelity na 2012 rok, ale już wiadomo, że nie poleci - zabrakło pieniędzy.

Jak pan się zetknął z Paczyńskim?

- Na początku lat 80. był w Ameryce, przyjeżdżał od czasu do czasu, kilka razy rozmawialiśmy - ale ja byłem studentem, on wielkim profesorem; jak takie rozmowy mogły wyglądać? Pod koniec lat 80. byłem na stażu podoktorskim w Kanadzie, on wykładał w Princeton - zaczęliśmy wymieniać e-maile. Był wtedy pod wpływem idei, by mikrosoczewkowanie zrealizować obserwacyjnie i szukał osób mających w tej dziedzinie doświadczenie. Dużo w tym czasie obserwowałem, szybko nawiązaliśmy kontakt, jak taki projekt mógłby wyglądać i co by należało zrobić dla jego uruchomienia. Na początku wyobrażaliśmy sobie to zupełnie inaczej, ale w końcu projekt przeewoluował i przyjął dzisiejszą postać.

Paczyński znalazł pieniądze, a pan zbudował aparaturę?

- Pieniądze na ciekawy projekt było dość łatwo znaleźć w Polsce, bo mieliśmy wtedy przełom i na naukę szło dość dużo środków finansowych. Paczyński dał nam nazwisko, które umożliwiło uzyskanie dużej ilości czasu na amerykańskich teleskopach i przekonanie amerykańskich astronomów, że warto w nas zainwestować te kilkadziesiąt nocy. Dość szybko pozwolono nam postawić własny teleskop w Las Campanas - i tak to się potoczyło.

- Bardzo brakuje Profesora. Bywało, że prowadziliśmy długie, intensywne i czasami nawet dość ostre dyskusje, jednak to zawsze było bardzo twórcze i jakieś pomysły się z tego rodziły... Minęły cztery lata od jego śmierci, ale mam poczucie, że gdyby teraz Paczyński zobaczył naszą kamerę i kolejny etap projektu OGLE, ile gwiazd obserwujemy i jakie mamy wyniki, to byłby z nas dumny, usatysfakcjonowany i ogromnie zadowolony. Kto jak kto, ale on byłby to w stanie docenić. Był fanem technologii, jak widział coś z najwyższej półki, to zawsze mu się to podobało. Poprzednie nasze instrumenty też były z kategorii high-tech, ale gdyby zobaczył naszą najnowszą kamerę, to na pewno byłoby mu trudno uwierzyć, że dysponujemy tak wspaniałym instrumentem.

Opowiadał mi o panu jako o bardzo zdolnym instrumentaliście, który sam sobie konstruuje narzędzia obserwacyjne, zupełnie jak Herschel, który w XVIII wieku budował największe w tamtej epoce teleskopy. Także o Pańskich kamerach krążą już legendy.

- Ostatnia kamera gigant to mozaika - składa się z 32 najwyższej klasy detektorów CCD, wypełniających całą płaszczyznę ogniskową naszego teleskopu. Plus dwa dodatkowe do sterowania jego ruchem.

- Detektory CCD działające na podobnej zasadzie stosowane są dziś powszechnie na przykład w cyfrowych aparatach fotograficznych, ale różnice w ich jakości i parametrach w stosunku do naszych, naukowych, są jak stosunek ich ceny: kilkadziesiąt dolarów do kilkudziesięciu tysięcy dolarów za sztukę. Detektory naukowe są niezwykle precyzyjne, właściwie pozbawione szumów i praktycznie idealne - przetwarzają na sygnał elektryczny 90% światła.

- Elementy kamery są bardzo precyzyjne mechanicznie. Przy wadze teleskopu kilku ton wymagana jest mikronowa precyzja. Dodatkowo detektory muszą być chłodzone do temperatury -120°C.

Nowa kamera ma większą rozdzielczość czasową i czulsze detektory CCD niż poprzednie, czyli rejestrujemy więcej światła. Przy tej samej dokładności możemy robić krótsze ekspozycje, a to oznacza więcej pomiarów w ciągu nocy. Poza tym ma dużo większe pole widzenia: jedno zdjęcie obejmuje obszar równy mniej więcej siedmiu tarczom Księżyca w pełni. To ponad pół gigabajta danych, a w ciągu nocy robimy kilkaset obrazków. Ten materiał wymaga następnie obróbki w trybie ciągłym, bo każda przerwa powoduje natychmiast ogromne zaległości. Nasza nowa mozaika to jedno z największych urządzeń tego typu na świecie; dosłownie na palcach jednej ręki można policzyć pozostałe podobne - to prawdziwa arystokracja.

- Poza tym do opracowywania danych stosujemy bardzo precyzyjne metody komputerowe, w związku z czym nasze pomiary są dużo dokładniejsze niż konkurencji. Stworzyliśmy też specjalne oprogramowanie, które spośród milionów danych wyłapuje te, o które nam chodzi, np. mikrosoczewki, obiekty ze specyficznymi formami zaćmień itp.

Musiał się pan nieźle znać na elektronice, skoro pan złożył coś takiego.

Procentowało doświadczenie zdobywane od szkoły podstawowej, kiedy zacząłem budować moje pierwsze radio stereo i inne urządzenia, a potem to zainteresowanie przetrwało. Mam takie okresy, kiedy lubię podłubać i porobić instrumenty, ale potem nadchodzi etap, kiedy z nich korzystam. Jesteśmy obecnie w czwartej fazie projektu OGLE; każda była związana z wymianą aparatury na lepszą.

W jednym z wywiadów przeczytałem, że uważa się pan za astronoma, który mało patrzy w niebo i w związku z tym słabo je zna, ponieważ pracuje głównie przy komputerze. Czy to nie kokieteria?

- Cały czas jestem pod wrażeniem piękna nieba, zwłaszcza południowego, ale północne też jest ładne. Kiedy byłem młodszy, prowadziłem ćwiczenia ze studentami, m.in. tzw. test nieba - niebo znałem na wyrywki. Teraz oczywiście też z grubsza wiem, gdzie co jest. Chcąc prowadzić obserwacje, trzeba umieć skierować teleskop na ten sektor nieba, który nas interesuje. Kiedyś robiło się to ręcznie, teraz wystarczy nacisnąć guzik i teleskop sam jedzie na pozycję, którą mu podamy. Ale często wśród obserwatorów dokładnie tak jest: siedzi się przy komputerze i nawet nie wychodzi na zewnątrz. Ja wciąż uwielbiam wyjść i pogapić się w niebo, zwłaszcza w Las Campanas, gdzie warunki sprawiają, że widoki są doprawdy olśniewające.

- Podejrzewa się, że ona pulsowała już wcześniej, ale jakość dawniejszych pomiarów nie pozwala tego stwierdzić na pewno. To, co wiemy o ewolucji gwiazd i o samej Betelgezie, wskazuje, że może się stać supernową, ale zmiana promienia o kilka procent nie dowodzi, że to nastąpi jutro, pojutrze czy za kilka lat. Ta masywna gwiazda, właściwie olbrzym, powinna kiedyś wybuchnąć - byłoby fajnie, gdyby to się stało, bo niebo bardzo zyskałoby na urodzie. Pojawiłby się na nim obiekt o jasności Księżyca, widoczny nawet w dzień, ale specjalnie by nam to nie zaszkodziło, bo dystans jest duży, choć jak na warunki kosmiczne 500 lat światła to blisko. Gdyby to było 20-30 lat światła od nas, wtedy mogłoby zrobić się niebezpiecznie, głównie za sprawą intensywnego promieniowania.

Opowiada się pan za powszechnością takich planet jak Ziemia w kosmosie. Jednocześnie jeśli chodzi o życie w tymże kosmosie jest pan sceptykiem. Czy w tym podejściu nie ma sprzeczności?

- Nie tyle sceptykiem, ile nie lubię się na ten temat wypowiadać, bo to są spekulacje. Wiadomo, że w układach planetarnych drobnych planet powinno być sporo. Duża część odkrytych metodą mikrosoczewkowania to planety mniejsze, najwyżej wielkości Neptuna. Na tych danych mogę opierać swoje sądy.

- Natomiast na temat życia na razie niewiele pewnego można powiedzieć. Na pewno z czasem znajdziemy analogi Ziemi, mające odpowiednie masy, krążące w odpowiedniej odległości. Póki nie ma konkretnych danych naukowych, pozostaję sceptyczny. Powiedziałem kiedyś, że woda w kosmosie jest powszechna i tak myślę nadal, więc gdzie trafi się woda i trochę ciepła, tam życie mogłoby powstać. Wszechświat ma dużo czasu, jest wielki i gdy jakaś możliwość ma szansę realizacji, to przez te "miliardolecia" prawdopodobnie zostanie zrealizowana.

Jak pan zapatruje się na zagadnienie sensu Wszechświata? Czy jest nim doprowadzenie do powstania życia rozumnego?

- Wydaje mi się, że aż tak bardzo Wszechświat nie jest ukierunkowany. Nawet gdyby w całym kosmosie nie było nigdzie istot rozumnych, to przecież jego ewolucja fizyczna przebiegałaby dokładnie tak samo. Jeśli życie występuje we Wszechświecie, to jest najwyżej produktem ubocznym.

Dziękuję za rozmowę.

Więcej w miesięczniku "Wiedza i Życie" nr 10/2011