Niemal każdego tygodnia jest jakieś odkrycie
Prof. Krzysztof Belczyński – astronom, autor numerycznego modelu wszechświata
Co było najpierw – teoria względności Einsteina czy dociekania i obserwacje astronomów na temat czarnych dziur?
– To, co ok. roku 1910 Albert Einstein przewidział teoretycznie, musiało czekać 60 lat na potwierdzenie doświadczalne. Pierwsza czarna dziura została odkryta w latach 70. XX w. Nazwano ją Cygnus X-1 i miała masę 15 razy większą od naszego Słońca.
Dlaczego uważa się, że właśnie teraz jest dobry czas na badanie czarnych dziur? Pojawiło się wiele nowych doniesień i nawet zdjęcia takich obiektów.
– Astronomowie mają dziś tyle nowych instrumentów o ogromnej czułości, że niemal każdego tygodnia dochodzi do jakiegoś odkrycia. Powstały potężne obserwatoria astronomiczne pozwalające sięgać dużo głębiej w kosmos. W Chinach zbudowano potężny teleskop LAMOST z lustrem o średnicy 4 m (polski teleskop, który jest w Chile, ma 1,2 m średnicy). Największy na świecie teleskop należy do Hiszpanów, ma 10,4 m i pracuje na Wyspach Kanaryjskich. Na Hawajach Amerykanie też mają teleskop o średnicy czaszy 10 m. Ale to nie wszystko, bo powstały obserwatoria, gdzie bada się specjalnymi przyrządami fale grawitacyjne. Teraz mamy dwa takie obserwatoria, LIGO w USA oraz Virgo w Europie. Wykrywają one fale grawitacyjne powstające podczas zderzania się czarnych dziur. Trudno to sobie wyobrazić, ale czasoprzestrzeń „się trzęsie”. Precyzyjne instrumenty w tych laboratoriach są w stanie mierzyć i odkrywać takie zdarzenia. Zjawisk nie widać optycznie, nie wiadomo więc dokładnie, gdzie one zachodziły przed milionami czy nawet miliardami lat.
Napisano niedawno, że jest pan współautorem odkrycia w naszej galaktyce czarnej dziury o tak niestandardowej masie, że astronomowie zakładali się, czy taki obiekt może istnieć. Pan także się założył, że to niemożliwe, i przegrał, chociaż w sumie wygrał odkrycie.
– Astronomowie wciąż się spierają, co jest możliwe, a co niemożliwe, i czasami musimy sobie w sporach naukowych długo pewne rzeczy tłumaczyć. Ja też byłem pewny, że nic większego niż 50 mas Słońca nie przekształci się w czarną dziurę, i teraz jestem winny amerykańskim kolegom trzy butelki dobrego wina, każda w cenie powyżej 100 dol. – taka była umowa. Wciąż jest zagadką, jak taka czarna dziura powstała. Informacja o badaniach ukazała się w czasopiśmie „Nature”. W naszej galaktyce są miliony czarnych dziur, ale dotąd zaobserwowano ich tylko ok. 20. Teraz odkryto kolejną, wyjątkową czarną dziurę. Obiekt ma bardzo nietypową jak na czarne dziury masę. Jest ok. 70 razy cięższy od Słońca. W dodatku powstał w nieoczekiwanym miejscu – w spiralnym ramieniu naszej galaktyki. Tu badacze znaleźli gwiazdę odległą od nas o 12-15 tys. lat świetlnych. Dotychczas przypuszczaliśmy, że w naszej galaktyce, Drodze Mlecznej, najcięższe czarne dziury to obiekty o masach co najwyżej 20 mas Słońca. A tu nie tylko odkryliśmy coś znacznie cięższego, ale dodatkowo ten nowy obiekt przekracza teoretyczną granicę (te 50 mas Słońca) tworzenia się czarnych dziur z masywnych gwiazd.
Co w tym niezwykłego?
– Sądzono, że gwiazdy, które mają taką masę, że mogłyby utworzyć czarną dziurę powyżej 50 mas Słońca, są w środku na tyle gorące i niestabilne, że kończąc swoje życie, zamiast zapadać się do czarnej dziury, eksplodują w potężnym wybuchu superjasnej supernowej i zostają całkowicie rozerwane. Tę opinię jednak zweryfikowało nowe odkrycie. Trzeba zaznaczyć, że są dwa rodzaje czarnych dziur. Są olbrzymy, które osiągają masę od miliona mas Słońca do ponad 10 mld mas Słońca. Jedna z najnowszych niedawno odkrytych czarnych dziur ma 40 mld mas Słońca. Nie tworzą się one z jednej gwiazdy, ale powstają, pożerając wielkie masy gazu, i w ten sposób się powiększają; można powiedzieć, że pęcznieją. Druga forma czarnej dziury to, jak dotąd uważano, powstający w wyniku ewolucji gwiazd „mały” obiekt, czyli ważący 5-50 mas Słońca. Ta zaś, którą wypatrzyli na swoim teleskopie LAMOST Chińczycy, ma „aż” 70 mas Słońca. Nadano jej nazwę LB-1, gdzie L to teleskop LAMOST, B – gwiazda typu B, czyli blue (niebieska), która krąży wokół obiektu, a 1 oznacza, że to pierwsza taka czarna dziura. Nasze Słońce, centrum Układu Słonecznego, jest zbyt małe, by stać się z czasem czarną dziurą, przemieni się w białego karła. Gwiazdy większe od Słońca 8-10 razy przekształcają się w gwiazdy neutronowe. Czarne dziury, jak się sądzi, pojawiają się po wypaleniu się gwiazd o masie 20-30 Słońc.
Do tej pory za najmasywniejszą czarną dziurę w naszej galaktyce uważany był Sagittarius A*.
– Sagittarius nie ma pochodzenia gwiazdowego, waży około miliona mas Słońca. Jak powstała odkryta przez nas LB-1, nie jest jeszcze dla nas zrozumiałe. Jest najmasywniejsza z gwiazdowych, ale co do jej pochodzenia nie ma jasności. Może powstała w wyniku zderzenia dwóch czarnych dziur albo nawet z pojedynczej masywnej gwiazdy, co jednak oznaczałoby, że do końca nie rozumiemy, jak gwiazdy ewoluują i jak kończą życie.
W jaki sposób znalazł się pan w zespole odkrywców?
– Byłem na kongresie astronomicznym w Wiedniu, a po moim przemówieniu podszedł do mnie dyrektor chińskiego ośrodka badawczego. Wiedział, że stworzyłem model komputerowy powstawania czarnych dziur gwiazdowych, i zapytał, czy moglibyśmy skorzystać z moich prac i obliczeń, aby wytłumaczyć zagadkową obserwację, którą oni dysponują. Cały międzynarodowy zespół liczył 40 osób, pracowali w nim oprócz Chińczyków Amerykanie, był Hiszpan, specjalista od obserwacji, ja byłem z Polski. Trzeba wiedzieć, że w Polsce przodujemy w modelowaniu czarnych dziur. Te modele powstawały m.in. podczas mojej pracy w amerykańskim laboratorium narodowym w Los Alamos, a jeszcze wcześniej, jakieś 20 lat temu, podczas pobytu na Harvardzie wymyśliłem nazwę, sugerując się trochę znanym serialem. Ten polski model nazywa się StartTrack. Wyniki badań nasz zespół opublikował w „Nature”, a publikacja wcześniej otrzymała kilka pozytywnych recenzji.
Ale, dodajmy, znalazł się pan także w zespole nagrodzonym Noblem.
– Nie mogę podskoczyć Oldze Tokarczuk, której książki chętnie czytam. Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki przyznano założycielom obserwatorium LIGO, trzem amerykańskim fizykom, którzy od 30 lat pracowali nad badaniem fal grawitacyjnych. Detektory LIGO zaobserwowały po raz pierwszy fale grawitacyjne pochodzące ze zderzenia dwóch czarnych dziur. Choć samo istnienie fal grawitacyjnych wynika z teorii względności zaproponowanej przez Alberta Einsteina na początku zeszłego wieku, dopiero sto lat później, w 2015 r., istnienie fal grawitacyjnych zostało potwierdzone obserwacyjnie. Odkrycie to opisano w pracy, w której na liście autorów figurowało około tysiąca fizyków związanych z badaniami fal grawitacyjnych (i ja byłem członkiem tej grupy), natomiast samą Nagrodę Nobla przyznano w 2017 r. trzem głównym założycielom LIGO.
W zasadzie w związku z ogromnymi odległościami od badanych obiektów to, co widzą astronomowie, jest badaniem dalekiej przeszłości.
– Odkrycia czarnych dziur poprzez fale elektromagnetyczne, czyli np. zwykłymi teleskopami optycznymi lub rentgenowskimi, astronomowie są w stanie dokonać we względnie bliskiej nam części wszechświata obejmującej lokalną grupę kilkudziesięciu galaktyk. Natomiast obserwacje w falach grawitacyjnych są dużo bardziej czułe i pozwalają zajrzeć w głęboki kosmos, w którym znajdują się miliardy galaktyk. Zderzenia czarnych dziur, które generują fale grawitacyjne, są bardzo rzadkie, np. w naszej galaktyce takie zderzenie zachodzi raz na milion lat. Trzeba zatem obserwować równocześnie wiele galaktyk, aby udało się wyłapać choć jedno takie zderzenie w realnym czasie (w czasie istnienia danego obserwatorium, np. LIGO).
Nie wiemy dokładnie, z której galaktyki docierają do nas fale grawitacyjne sygnalizujące zderzenia czarnych dziur. Czy wiemy chociaż, ile jest takich galaktyk?
– Obserwujemy duży kawałek wszechświata. Nasz „stożek świetlny” obejmuje setki milionów galaktyk, do miliarda.
Czy galaktyka, w której przyszło nam żyć, zwana Drogą Mleczną, jest rzeczywiście „mleczna”?
– W dużych miastach tego się nie dostrzeże, ale gdy będziemy w górach i spojrzymy nocą w czyste niebo, zobaczymy biały, prawie mleczny pas. Taki widok tworzą rozmyte światła gwiazd, które nakładają się na siebie.
Jakie jest praktyczne znaczenie wiedzy o czarnych dziurach?
– Bezpośredniego zastosowania taka wiedza dziś nie ma. Badania astronomów to badania podstawowe, które na razie jedynie zaspokajają ciekawość dotyczącą naszego otoczenia we wszechświecie. Wiedza ta z każdym pokoleniem jest coraz większa, z pewnością moi dzisiejsi studenci będą znać o wiele więcej zjawisk zachodzących w kosmosie. Być może wtedy coś z tej wiedzy da się zastosować w praktyce, w gospodarce, w energetyce, medycynie, budownictwie itd.
Dla kariery naukowej ważne są publikacje w prestiżowych czasopismach. Artykuł, o którym wspominaliśmy, ukazał się w brytyjskim tygodniku „Nature”. Czy jednak nie byłoby jeszcze korzystniej publikować w amerykańskim „Science”?
– Jeśli chodzi o liczbę cytowań, którą określa wskaźnik impact factor, to w „Nature” jest on wyższy niż w „Science” i wynosi ok. 40, „Science” zaś ma ok. 30. Być może pismo „Nature”, które stara się być zrozumiałe dla laików, choć pozbawione uproszczeń, ma opinię bardziej popularnego, a „Science” bardziej naukowego. Ale dla informacji podam, że wraz z innym zespołem naukowym z Australii, z którym teraz współpracuję, przygotowujemy publikację do „Science”.
Fot. Krzysztof Żuczkowski
Odpowiedz na treść artykułu lub innych komentarzy