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.