Jak powstają czarne dziury?
Lech Mankiewicz
Był
ranek w środę 19 marca. Jadłem w pośpiechu śniadanie,
poganiając zbierającą się do przedszkola córkę i jednocześnie
myśląc o cotygodniowym wykładzie dla studentów. Kątem oka
obserwowałem ekran komputera, na którym rytmicznie pojawiały się
informacje z Chile od naszego detektora-robota Pi of the Sky
o tym, co właśnie zamierza zrobić. Mniej więcej pół godziny
wcześniej satelita Swift przesłał meldunek o wykryciu rozbłysku
gamma. Miejsce wybuchu było widoczne z południowej półkuli, więc
Pi of the Sky automatycznie skierował w tę stronę kamery.
Nagle
zapiszczała komórka. Z początku nie zwróciłem na nią uwagi,
za chwilę jednak ożyło okienko internetowego komunikatora. "Mamy
ciekawą sytuację, wygląda na to, że przyszedł kolejny błysk" -
pisała Kasia Małek, moja doktorantka w Centrum Fizyki Teoretycznej
PAN. No cóż, i Kasia, i ja spieszyliśmy się
na seminarium, poprosiliśmy więc Lecha Piotrowskiego z UW
o uruchomienie automatycznej procedury do ściągania klatek
ze zdjęciami wykonanymi w czasie obserwacji obu błysków
i szybko pojechaliśmy do Centrum Fizyki Teoretycznej
w alei Lotników.
Błyska - ale skąd?
W "Księdze
dżungli" niedźwiedź Baloo uczył Mowgliego, że trzeba być zawsze czujnym
i rozglądać się bacznie dokoła, bo najciekawsze rzeczy dzieją się
niespodziewanie. Ta zasada pasuje jak ulał do poszukiwania
rozbłysków gamma (Gamma Ray Bursts - GRB), tajemniczych eksplozji
kosmicznych o budzącej respekt i lęk sile. Błyski gamma
odkryto w latach 60., kiedy supermocarstwa próbowały wykrywać
tajne eksplozje nuklearne przeciwnika i za pomocą satelitów
poszukiwały krótkotrwałych impulsów promieniowania gamma. Szybko
okazało się, że podejrzane impulsy zdarzają się nader często i nie
mają nic wspólnego z działalnością człowieka.
Upłynęło
jeszcze 30 lat, zanim kolejne generacje satelitów nauczyły się mierzyć
dokładną pozycję rozbłysków na niebie i wiązać je
z obserwacjami w różnych zakresach widma. Okazało się, że
rozbłyskom gamma często towarzyszą poświaty optyczna i radiowa.
Przy założeniu, że źródła rozbłysków promieniują z tą samą
intensywnością we wszystkich kierunkach, z bilansu
wyemitowanej energii wynikał niesamowity wniosek: w czasie
trwającego kilkadziesiąt sekund zjawiska tajemnicze źródła wytwarzały
więcej energii niż Słońce w ciągu całego życia!
Przez wiele
lat uczeni spierali się, gdzie właściwie powstają rozbłyski gamma.
Natężenie docierających impulsów promieniowania zdawało się świadczyć,
że ich źródła leżą niezbyt daleko, być może w naszej galaktyce
(natężenie promieniowania maleje w przybliżeniu jak kwadrat
odległości od źródła). Dzięki dokładnym pomiarom satelitarnym
wiemy, że rozbłyski gamma rozkładają się równomiernie na mapie
nieba, a to świadczy, że nie powstają wewnątrz Drogi Mlecznej,
która przecież nie ma symetrii sferycznej. Ostateczne rozstrzygnięcie
przyniosły obserwacje widma promieniowania w zakresie optycznym:
przesunięcie ku czerwieni charakterystycznych linii widmowych
świadczy, że promieniowanie niektórych błysków dociera do nas
z odległości miliardów lat świetlnych.
Polowanie
na rozbłyski gamma trwa już od kilkudziesięciu lat, a my
ciągle jesteśmy daleko od zrozumienia ich natury. Sądzimy, że
przyczyną potężnych erupcji promieniowania jest zapadanie się masywnej
gwiazdy w momencie powstawania czarnej dziury lub zderzenie
gwiazd neutronowych. Do pełnego wyjaśnienia zagadki potrzebujemy
jednak więcej danych obserwacyjnych. Z tego powodu naukowcy
zbudowali system służący do polowania na błyski gamma
na Ziemi i w przestrzeni kosmicznej - GRB Coordinate
Network (GCN). Jest to sieć satelitów i obserwatoriów naziemnych,
połączonych przez internet i wymieniających się informacjami
na temat położenia odkrytych błysków.
Półkula pod obserwacją
Do poszukiwania
poświat optycznych towarzyszących rozbłyskom gamma namówił nas
w 2003 roku wybitny polski astrofizyk prof. Bohdan Paczyński
z Princeton University. Kluczowa informacja o mechanizmie
rozbłysków jest ukryta we własnościach promieniowania dochodzącego
do nas tuż po wybuchu. Ponieważ nie wiadomo, w którym
miejscu na niebie pojawi się następny rozbłysk, trzeba bez przerwy
obserwować duży obszar nieba. W praktyce oznacza to wykorzystanie
urządzeń o niewielkiej ogniskowej, które mogą zarejestrować błysk
tylko w jego początkowej, najjaśniejszej fazie -
ale o tę fazę właśnie chodzi! Ciągłe poszukiwanie nowych
błysków oznacza konieczność analizowania i przetwarzania
olbrzymiej ilości danych, zatem konieczne jest zbudowanie urządzenia,
które będzie działało automatycznie i powiadamiało swoich
opiekunów tylko wtedy, gdy zaobserwuje coś ciekawego.
Pomysł
prof. Paczyńskiego, aby to właśnie w Polsce zbudować takie
urządzenie, nie wziął się znikąd. Polska ma znakomite, światowej klasy
osiągnięcia w dziedzinie astronomii opierającej się
na automatycznym przetwarzaniu danych. Najbardziej znanym
projektem jest OGLE (Optical Gravitational Lensing Experiment),
kierowany przez prof. Andrzeja Udalskiego z Obserwatorium
Astronomicznego UW. Obserwuje się tu kilkadziesiąt milionów gwiazd
w poszukiwaniu zjawisk mikrosoczewkowania grawitacyjnego,
związanego z obecnością pozasłonecznych planet krążących wokół
gwiazd działających jako soczewki. Dzięki projektowi ASAS (All Sky
Automatic Survey), który wykorzystuje urządzenia zbudowane przez dr
hab. Grzegorza Pojmańskiego z Obserwatorium Astronomicznego UW,
za pomocą małych automatycznych teleskopów odkryto kilkadziesiąt
tysięcy gwiazd zmiennych. W naszym przypadku nowością była
koncepcja szybkiej analizy kolejnych zdjęć nieba zaraz po ich
otrzymaniu, w poszukiwaniu rozbłysków, które trwają bardzo krótko,
oraz pokrycie ciągłymi obserwacjami całego nieba, co oznacza, że trzeba
sobie radzić z ogromnym strumieniem danych.
Razem
z Grzegorzem Wrochną z Instytutu Problemów Jądrowych
i Aleksandrem Filipem Żarneckim z Instytutu Fizyki
Doświadczalnej UW zajmowaliśmy się fizyką cząstek elementarnych.
Obserwacja nieba była dla nas wyzwaniem, ale za to nie
baliśmy się analizy dużych strumieni danych. Do budowy naszego
teleskopu-robota postanowiliśmy wykorzystać doświadczenia zgromadzone
w Warszawie przy budowie detektorów dla eksperymentów
fizyki cząstek elementarnych, m.in. dla DESY i CERN-u. Znając
doświadczenia Grzegorza Pojmańskiego, który często narzekał
na jakość aparatury kupowanej za granicą, i podobnie jak
on nie mając wielkich środków na zakup sprzętu pierwszej klasy,
postanowiliśmy ten sprzęt zbudować sami. Rozwiązanie to pozwalało także
zgromadzić wiedzę, która mogła się stać podstawą nowej polskiej
specjalności naukowej: projektowania i wykorzystywania małych
detektorów-robotów do ciągłych obserwacji nieba.
Za pośrednictwem Fundacji Astronomii Polskiej pożyczyliśmy 10 tys.
dolarów od prof. Paczyńskiego i rozpoczęliśmy pracę.
Wkrótce potem udało nam się uzyskać grant MNiSW w wysokości 50
tys. złotych. Postanowiliśmy zacząć od małego urządzenia, aby
zebrać doświadczenia pozwalające zbudować duży detektor, pokrywający
swoim zasięgiem praktycznie całe niebo. Pole widzenia można wyrażać
w jednostkach kąta bryłowego, steradianach; niebo widoczne
z dowolnego miejsca na kuli ziemskiej to nieco więcej niż ?
(3,14...) steradianów. Stąd wzięła się nazwa eksperymentu: Pi of the
Sky.
Automaty przeszukują niebo
Kamera
CCD działa podobnie jak cyfrowy aparat fotograficzny, ale kamera
przeznaczona do badań naukowych musi spełniać znacznie ostrzejsze
wymagania dotyczące m.in. stosunku sygnału do szumu - musi być
po prostu bardzo czułym urządzeniem pomiarowym. Jak czułym?
Wyobraźmy sobie maszynę w mennicy, która produkuje worki
z pieniędzmi. W każdym worku jest około miliona złotych.
Naszym zadaniem jest zbudowanie urządzenia, które sprawdza, ile jest
pieniędzy w każdym worku i nie myli się przy tym
o więcej niż 100 złotych, badając... milion worków
na sekundę! W Instytucie Systemów Elektronicznych
Politechniki Warszawskiej znaleźliśmy młodego magistranta, który okazał
się geniuszem w zakresie budowy kamer CCD. Dzięki naszemu
projektowi mógł pokazać w praktyce, co potrafi. Dziś Grzegorz
Kasprowicz kończy doktorat z elektroniki w międzynarodowym
laboratorium fizyki jądrowej CERN w Genewie, jest w dalszym
ciągu głównym konstruktorem naszej elektroniki i planuje wrócić
do Polski, gdzie ma zamiar założyć własną firmę zajmującą się
konstrukcją nietypowej aparatury elektronicznej do celów naukowych.
Tymczasem
udział "naukowej młodzieży" w eksperymencie Pi of the Sky stał się
naszą specjalnością. Na stronie projektu
(http://grb.fuw.edu.pl/pi) można znaleźć listę obecnych i byłych
współpracowników - większość to magistranci i doktoranci pracujący
pod kierunkiem kilku doświadczonych kolegów. Dzięki współpracy
z nami zyskali wyjątkową możliwość sprawdzenia się
w środowisku autentycznego eksperymentu, gdzie wszystkie ich
osiągnięcia, ale i błędy, przekładają się bezpośrednio
na wyniki całego zespołu.
Kamery CCD własnej konstrukcji to
niejedyny problem, który trzeba było rozwiązać. Kamera powinna mieć
migawkę. Ponieważ błyski gamma trwają dość krótko (najdłuższe nie
więcej niż kilkaset sekund), postanowiliśmy fotografować niebo
z 10-sekundowym czasem ekspozycji. Typowe komercyjne migawki
wytrzymują około 100 tys. otwarć, łatwo więc oszacować, że
zepsułyby się mniej więcej po miesiącu. Inżynierowie
z Instytutu Fizyki Doświadczalnej UW skonstruowali więc specjalne
migawki, które wytrzymują ponad milion cykli.
Prototyp detektora
składał się z dwóch kamer CCD umieszczonych na specjalnym,
obrotowym montażu. Dzięki poparciu prof. Paczyńskiego udało się go
umieścić w obserwatorium Las Campanas na pustyni Atacama
w Chile.
Ożywione kilkudziesięcioma tysiącami linii kodu,
urządzenie pracuje samodzielnie, bez ingerencji człowieka. Samo układa
sobie program obserwacji na daną noc, na podstawie informacji
o orientacji satelitów otrzymywanych z sieci GCN. Dwa razy
w ciągu nocy kamery systematycznie omiatają całe niebo
w poszukiwaniu rozbłysków nowych gwiazd. W pozostałym czasie
śledzą pole widzenia jednego z satelitów poszukujących rozbłysków
w zakresie promieniowania gamma. Detektor jest wyposażony
w mechanizmy sztucznej inteligencji - sam analizuje dane
i potrafi wykryć rozbłysk optyczny, którego nie zaobserwowały
satelity GCN. Potrafi też zareagować na typową awarię
i naprawia się sam, bez ingerencji człowieka. Dopiero kiedy nie
jest w stanie dać sobie rady, a także na początku
i na końcu obserwacji, kontaktuje się SMS-em z opiekunem
w Warszawie.
Fakt, że w danej chwili na niebie
nie zarejestrowano żadnego błysku, nie oznacza, że nie dzieje się nic
ciekawego. Obserwacje zebrane przez detektor Pi of the Sky
w czasie, gdy "nic się nie dzieje", pozwalają śledzić losy około
10 mln gwiazd, dla których wykonano około 2 mld obserwacji.
Do rutyny należy odkrywanie nowych gwiazd i obserwacja innych
ciekawych obiektów astronomicznych wykonywana na prośbę astronomów
z Polski i z całego świata. Ta wielka baza danych -
jedna z największych niekomercyjnych i dostępnych publicznie
baz danych w Polsce - pozwala też szlifować umiejętności studentów
informatyki. Rozpoczęta w ubiegłym roku współpraca z firmą
IBM Polska, która udostępnia nam nieodpłatnie swoją najnowszą bazę
danych, zaowocowała na warszawskich uczelniach kilkoma pracami
magisterskimi w dziedzinie informatyki. Tak jak dla studentów
elektroniki czy fizyki Pi of the Sky jest wyjątkową okazją wypróbowania
własnych umiejętności przy realizacji realnego projektu, młodym
informatykom współpraca z nami daje wyjątkowe możliwości
korzystania z najnowszych, komercyjnych narzędzi współczesnej
informatyki.
Eksplozja, jakiej nie było
A co
zdarzyło się pamiętnego poranka 19 marca 2008 roku? Po seminarium
poszedłem na wykład i dopiero SMS od Kasi uświadomił mi,
że nasz zespół uczestniczył w jednym z najbardziej
spektakularnych odkryć w historii astronomii. Przybliżmy ten
proces: o godzinie 7:12 nad ranem nasze kamery, wycelowane
szczęśliwie we "właściwy" fragment nieba, zarejestrowały
niezidentyfikowany rozbłysk optyczny - komputery rozpoznały, że
na zdjęciu pojawiła się nowa jasna plamka, i rozpoczęły
procedurę weryfikacji na kolejnych zdjęciach. Dwie sekundy później
potężny impuls promieniowania gamma dociera do satelity SWIFT,
który po 17 sekundach wysyła alert przez internet
do teleskopów naziemnych. Alert dociera do naszego detektora,
który zdążył wykonać jeszcze dwie ekspozycje, gdzie wyraźnie widać
coraz jaśniejszą kropkę. Rozbłysk optyczny jest tak jasny, że powinien
być widoczny gołym okiem. Do obserwacji błysku włącza się TORTORA
- zwykła kamera wideo zamontowana na włoskim teleskopie REM
w sąsiednim obserwatorium La Silla. Zbudowana i kierowana
przez rosyjskich astronomów, dostarcza przez kilkadziesiąt sekund
obserwacje ze zdolnością rozdzielczą dziesiątych części sekundy.
Zaalarmowane przez SWIFT-a teleskopy naziemne zaczynają obracać
się w stronę błysku i po kilku minutach jest to
najdokładniej obserwowany punkt na niebie. Obserwacje są
prowadzone praktycznie w całym zakresie widma optycznego oraz
w promieniowaniu rentgenowskim i gamma. Po kilku
godzinach są już znane wyniki pomiarów przesunięcia ku czerwieni,
wykonanych za pomocą wielkich teleskopów. Wskazują na ogromną
odległość - ok. 7,5 mld lat świetlnych! Oznacza to, że rozbłysk
nastąpił na długo przed powstaniem naszej planety, w czasach,
gdy obserwowalny Wszechświat był o połowę młodszy niż dziś.
Dzięki niezwykłej mocy, i szczęśliwemu zbiegowi okoliczności,
rozbłysk gamma GRB20080319B stał się najdokładniej zbadanym rozbłyskiem
tego typu w historii. Film, złożony z kilku ekspozycji Pi of
the Sky i umieszczony przez nas w internecie, w ciągu
paru dni zyskał sławę "pierwszego w historii ludzkości filmu
z narodzin czarnej dziury". Zainteresowanie mediów elektronicznych
było olbrzymie, nasze dane trafiły nawet na strony internetowe
muzułmańskich organizacji terrorystycznych. Ale prawdziwa praca
dopiero się rozpoczęła. Powstało konsorcjum kilkunastu zespołów
związanych z teleskopami i satelitami, które zaobserwowały
rozbłysk. Otrzymaliśmy tam zaproszenie i rozpoczęła się mozolna
analiza danych. Każdy instrument pracował na trochę innych
długościach fal elektromagnetycznych, co utrudniało pracę,
ale pozwalało także na uzyskanie szerokiego obrazu
promieniowania towarzyszącego rozbłyskowi. Konkluzje są ciekawe, choć
zapewne do przewidzenia. Standardowe modele błysków gamma nie
wytrzymują konfrontacji ze znacznie precyzyjniejszymi danymi
i coraz wyraźniej widać, że wymagają uzupełnienia
i rozwinięcia. Ba, ale w którym kierunku? Czeka nas
jeszcze sporo pracy, zanim dowiemy się, co naprawdę dzieje się wokół
ginącej gwiazdy w momencie powstania czarnej dziury. Rozbłysk
GRB20080319B jeszcze przez długi czas będzie zapładniał wyobraźnię
astronomów i astrofizyków. W "Nature" z 11 września
ukazał się artykuł, którego współautorami byli również badacze
z Instytutu Problemów Jądrowych w Warszawie, Centrum Fizyki
Teoretycznej PAN, Politechniki Warszawskiej oraz Uniwersytetu
Warszawskiego poświęcony badaniom "naszego" błysku.
Gdy już
opadły emocje spowodowane odkryciem, wróciliśmy do codzienności.
Dobiegają końca prace nad dużym detektorem z 32 kamer
umieszczonych na 8 ruchomych montażach. To duży projekt,
finansowany przez MNiSW. Nowy detektor będzie obserwował ponad ?
steradianów i będzie w stanie wykrywać rozbłyski niezależnie
od informacji dochodzących z satelitów czy innych teleskopów.
W ten sposób zrealizujemy do końca idee
prof. Paczyńskiego. Jesteśmy mu to winni.
Szczegółowe
informacje na temat odkrycia błysku GRB20080319B można znaleźć
na stronie internetowej
http://grb.fuw.edu.pl/pi/ot/grb080319b/news_pl.html
DOC. DR HAB. LECH MANKIEWICZ jest jednym z twórców programu Pi of the Sky.
Źródło: Wiedza i Życie |