PRZEGLAD NIEBA, NAUKA, KOSMOLOGIA

[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Badanie zmiennosci calego nieba
B. Paczynski, Princeton University
W ciagu ostatnich stu lat astronomia siegnela do granic obserwowalnego wszechswiata,
granic wyznaczonych wiekiem wszechswiata i skonczona predkoscia z jaka rozchodzi sie
swiatlo. Z najwiekszej odleglosci dociera do nas promieniowanie o dlugosci fali od kilku
milimetrow do kilkudziesieciu centymetrow: widzimy w ten sposob wszechswiat jakim byl w
epoce gdy stal sie przezroczysty, gdy po raz pierwszy promieniowanie "oderwalo sie" od
materii. W epoce tej wszystkie odleglosci we wszechswiecie byly tysiackrotnie mniejsze niz
sa obecnie. W zargonie astronomow przesuniecie ku czerwieni bylo rowne mniej wiecej
1000.
Badanie najdalszych zakatkow wszechswiata przy pomocy najpotezniejszych teleskopow jest
zajeciem fascynujacym. Rownie fascynujace okazuja sie byc wyniki badan. Obecnie dziala
lub jest w budowie okolo 15 teleskopow optycznych o srednicy od 6.5 do 10 metrow. Lacznie
wydano na ich budowe kilka miliardow dolarow. Zarowno koszt tych instrumentow jak i
wyniki otrzymywane przy ich pomocy sprawiaja wrazenie, ze nie dysponujac setka milionow
dolarow nie ma sie co brac za wspolczesne obserwacje astronomiczne. Oczywiscie, jest to
poglad bledny. Na czym moze polegac alternatywa? Czy mozna prowadzic wazne, wrecz
przelomowe badania mniejszymi, nie tak drogimi instrumentami? Oczywiscie za mozna.
Znakomitym przykladem jest polskie przedsiewziecie o nazwie
OGLE
(Optical Gravitational
Lensing Experiment), ktorego trzonem sa pracownicy
Obserwatorium Astronomicznego
Uniwersytetu Warszawskiego
, profesorowie Marcin Kubiak i Andrzej Udalski, oraz dr
Michal Szymanski. Z funduszy KBN oraz Fundacji na Rzecz Nauki Polskiej, za laczna kwote
nieco powyzej jednego miliona dolarow, zbudowali oni na terenie
Obserwatorium
Astronomicznego Las Campanas w Chile
teleskop o srednicy lustra 1.3 metra i zaopatrzyli go
kolejno w dwie kamery. Pierwsza, pracujaca w latach 1997 - 2000, miala lacznie ponad 4
miliony pikseli, czyli elementow swiatlo-czulych. Od maja 2001 dziala nowa kamera
zawierajaca ponad 64 miliony pikseli. Kamery zaprojektowal i wlasnorecznie wykonal
profesor Udalski, on tez jest dusza programu naukowego. Mam przyjemnosc byc jego
wspolpracownikiem i doradca, jak rowniez staram sie o zapewnienie amerykanskich funduszy
pomagajacych w prowadzeniu obserwacji i analizie danych.
Pierwotnym celem OGLE, oraz innych, podobnych projektow w innych krajach (MACHO w
USA i Australii, EROS we Francji) bylo wykrycie niezmiernie rzadkich zjawisk
mikrosoczewkowania grawitacyjnego. Zjawisko to polega na przejsciowym zwiekszeniu
jasnosci dalekiej gwiazdy gdy pomiedzy nia i obserwatorem przesuwa sie jakikolwiek
masywny obiek: gwiazda, planeta, czarna dziura. Zjawisko nie zalezy od tego czy ow obiekt,
zwany soczewka, swieci czy nie, wazne jest zeby mial znaczna mase. Zjawisko jest bardzo
rzadkie, poniewaz obiekt soczewkujacy musi byc prawie dokladnie na linii laczacej
obserwatora z daleka gwiazda. W najlepszym wypadku mozna sie spodziewac ze w danej
chwili jedna gwiazda na milion bedzie miec swa jasnosc zwiekszona o conajmniej 30%,
Jeszcze rzadsze sa wzrosty jasnosci o czynnik 10, czy nawet 100. Cale zjawisko trwa od kilku
dni do kilku miesiecy. Rekordowo dlugo trwajace zjawisko wykryte przez zepol OGLE mialo
skale czasowa blisko dwa lata, co wskazuje na znaczna mase obiektu soczewkujacego,
ktorym jest zapewne czarna dziura. OGLE wykrylo lacznie okolo 600 zjawisk
mikrosoczewkowania, MACHO nieco mniej, inne zespoly wykryly po kilkanascie lub
kilkadziesiat.
Astronomowie mieli nadzieje, ze dzieki mikrosoczewkowaniu wykryja czym jest tajemnicza
ciemna materia, pod warunkiem ze jest ona skupiona w obiektach o znacznej masie. W blisko
dziesiec lat po rozpoczeciu poszukiwan i po wykryciu wielu setek takich zjawisk okazalo sie,
ze wiekszosc z nich wywolana jest przez zwykle, slabo swiecace gwiazdy, ze conajwyzej
drobna czesc ciemnej materii powoduje takie zjawiska. Glownym, moim zdaniem
najciekawszym wynikiem owych badan bylo opanowanie nowej technologii, zarowno
"hardware" jak i "software", pozwalajacej analizowac na biezaco do 30 milionow pomiarow
jasnosci gwiazd kazdej nocy. Wykryto setki tysiecy nowych, nieznanych dotad gwiazd
zmiennych, mniej wiecej dziesieciokrotnie wiecej niz bylo znanych w roku 1990. Okazalo sie,
ze nowoczesna technologia pozwala no zrobienie ponad stu tysiecy pomiarow za jednego
dolara i nalezy sadzic ze cena za pomiar bedzie nadal spadac, gdyz tanieja zarowno
komputery jak i wielo-pikselowe detektory. Otworzyla sie zupelnie nowa, niezmiernie
szeroka dziedzina badan astronomicznych: analiza zmiennosci w czasie ogromnej ilosci
obiektow. Mikrosoczewkowanie grawitacyjne stalo sie skutecznym narzedziem badan
naukowych. Mozna sie spodziewac, ze lada rok, byc moze lada miesiac, zespol OGLE
odkryje pierwsze planety ta metoda, planety krazace wokol gwiazd znajdujacych sie tysiace
lat swiatla od nas. Poczatkowo beda to obiekty tak masywne jak Jowisz, majace stosunkowo
duzy przekroj czynny na zjawisko mikrosoczewkowania. Ale w dalszej, niezbyt odleglej
przyszlosci, bedzie mozliwe wykrywanie ta metoda planet o masach mniejszych niz Ziemia,
mniejszych nawet niz Merkury. Jest to obecnie jedyna metoda pozwalajaca miec nadzieje na
takie odkrycia.
Wprawdzie OGLE kosztuje stukrotnie mniej niz typowy 10-metrowy teleskop, ale jest to
nadal znaczna kwota, przewyzszajaca mozliwosci malych uczelni, nie mowiac juz o szkolach
czy milosnikach astronomii. Okazuje sie jednak, ze odkrycia nowych gwiazd zmiennych, a
nawet nowych zjawisk na niebie, moga byc wykonywane nawet mini-teleskopami o srednicy
zaledwie 10 centymetrow. W roku 1999 dokonano dwa takie odkrycia, kazde z powodzeniem
kwalifikujace sie do pierwszej dziesiatki odkryc roku. Byly to odkrycie optycznego blysku
towarzyszacemu blyskowi gamma GRB 990123, oraz odkrycie drobnego, okresowego spadku
jasnosci jednej z pobliskich gwiazd, wywolanego przejsciem przed jej tarcza planety o
rozmiarach wiekszych niz Jowisz, zas masie nieco mniejszej niz Saturn. Sa to jedyne
przypadki zjawisk obu typow, oba majace ogromne znaczenie. Blysk optyczny pochodzil z
wybuchu jaki mial miejsce w odleglosci okolo 10 miliardow lat swiatla, i mial przesuniecie
ku czerwieni z = 1.6 . W maksimum rozblysk swiecil jak gwiazda 9 wielkosci, czyli moglby
byc zauwazony przez dobra lornetke. Gdyby wybuch nastapil w naszej galaktyce, w
odleglosci kilku tysiecy lat swiatla, to jasnoscia dorownywalby sloncu. Zas przejscie planety
na tle tarczy pobliskiej gwiazdy po raz pierwszy pozwolilo na pomiar rozmiarow planety poza
ukladem slonecznym.
Niezaleznie od tego, jak znakomite byly te dwa odkrycia, pokazaly one zarazem ogromna
slabosc wielu instrumentow, w tym wypadku tych malych. Blysk optyczny zostal
automatycznie zarejestrowany przez 10-centymetrowa kamere zespolu ROTSE, lecz zespol
poczatkowo nie podjal nawet proby analizy danych, gdyz kamera pokryla ogromny obszar na
niebie, okolo tysiaca stopni kwadratowych. Ogrom obszaru bral sie stad, ze wykrywacz
blyskow gamma o nazwie BATSE przekazal z kosmosu do Internetu informacje o blysku w
kilka sekund po jego wykryciu, lecz polozenie blysku na niebie bylo znane bardzo
niedokladnie. Instrument ROTSE potrafil zarajestrowac, i to wielokrotnie, wyglad znacznego
obszaru na niebie, ale zespol nie dysponowal "software'em" do analizy tak ogromnej ilosci
danych. W kilka godzin po wybuchu inny satelita o nazwie BeppoSAX wyznaczyl polozenie
blysku gamma z dokladnoscia do kilku minut luku. Dzieki temu doktorant Josh Bloom,
pracujacy w Caltech, przy pomocy duzego teleskopu na Mount Palomar w Kaliforni wykryl
szybko slabnaca tak zwana optyczna poswiate i okreslil polozenie blysku gamma z
dokladnoscia do sekundy luku, oraz zawiadomil o tym zespol ROTSE. Archiwalne obrazy
ROTSE, zrobione w czasie trwania blysku gamma, pozwolily na latwe wykrycie blysku
optycznego: bylo dokladnie wiadomo gdzie go szukac. Niestety, brak odpowiedniego
oprogramowania nie pozwala dotad malym instrumentom na samodzielne wykrywanie
blyskow optycznych towarzyszacych blyskom gamma. Wielka to szkoda, gdyz sa to wybuchy
tak potezne, ze nawet teleskop o 10 centymetrowej srednicy moze dostrzec wybuchy
docierajace do nas doslownie z krancow obserwowalnego wszechswiata. Koszt sprzetu
niezbednego na monitorowanie calego nieba co minute do 11 wielkosci gwiazdowej oceniam
na okolo sto tysiecy dolarow. Oczywiscie w zalozeniu, ze "software" moze byc zrobiony "za
darmo".
Przejscie planety na tle tarczy gwiazdy zostalo wykryte przez zespol STARE. Ale i tym razem
zespol wiedzial na jaka gwiazde skierowac teleskop o srednicy zaledwie 10 centymetrow: w
oparciu o obserwacje widma tej gwiazdy wykonane duzymi teleskopami stwierdzono ze krazy
wokol niej planeta o masie zblizonej do Jowisza i czas obiegu wynosi zaledwie kilka dni.
Takich ukladow planetarynch odkryto juz kilka, czy nawet kilkanascie, wbrew
powszechnemu przekonaniu ze duze planety moga powstawac tylko na duzych odleglosciach
i wobec tego powinny obiegac swe gwiazdy w ciagu kilku czy kilkunastu lat. Dzieki
krotkiemu okresowi obiegu, a zatem i malej odleglosci od gwiazdy, byla szansa ze planeta
krazaca wokol gwiazdy 51 Pegasi bedzie co kilka dni przesuwac sie na tle tarczy gwiazdy,
zmniejszajac jej jasnosc o okolo 1%. I tak tez bylo - kolejne znakomite odkrycie zostalo
zrobione malym teleskopem. A gdzie klopot? Znowu z oprogramowaniem. Zespol STARE
monitoruje jasnosc kilku tysiecy gwiazd aby wykryc podobne planetarne oslabienia ich
jasnosci bez wskazania kandydata przez duze teleskopym, ktore badaja subtelne zmiany w
widmach gwiazd. Nie jest jasne dlaczego, ale jak narazie zespol STARE samodzielnie nie
odkryl kolejnego zajwiska. Najwyrazniej dokladna analiza zmian jasnosci kilku tysiecy
gwiazd jest trudniejsza niz podobna analiza dla jednej gwiazdy.
Poza tak rewelacyjnymi odkryciami, ktore moga przypominac wygranie losu na loterii, male
teleskopy moga (pozornie bez trudu) odkrywac tysiace nieznanych dotad gwiazd zmiennych.
Najlepszym przykladem jest instrument zaprojektowany i wykonany przez Dr. Grzegorza
Pojmanskiego, pracownika Obserwatorium Astronomicznego Uniwersytetu Warszawskiego.
Kilka jego automatycznych mini-teleskopow pracuje na terenie Las Campanas Observatory w
Chile. Wyniki mozna obejrzec na specjalnej
stronie internetowej
. Pierwszy instrument,
pracujacy przez dwa i pol roku, odkryl blisko cztery tysiace gwiazd zmiennych - ponad 90%
tych obiektow bylo dotad nieznane. Jest zdumiewajace, ze instrumentem byla amatorska
kamera CCD zawierajaca 512 x 768 pikseli, kosztujaca zaledwie okolo dwa tysiace dolarow.
Optyka byl teleobiektyw o ogniskowej 135 milimetrow i swiatlosile 1.8. Waznym elementem
byl maly montaz, w pelni sterowany przez komputer. Ten sam komputer zbieral dane i
zapisywal je na tasme. Pole widzenia kamery bylo prostokatem o rozmiarach 2 na 3 stopnie.
Kazdej nocy instrument robil po kilka obrazow 50 pol, a wiec lacznie sledzil zmiany na niebie
na obszarze 300 stopni kwadratowych, co stanowi zaledwie 0.7% calego nieba.
Wprawdzie caly system pracowal bez interwencji czlowieka, ale jednak bliskosc obserwatora
OGLE byla bardzo wazna. Obserwator ten decydowal kiedy pogoda nadawala sie do
obserwacji i otwieral oraz zamykal kopule teleskopu OGLE. Sygnal ten powodowal otwarcie
i zamkniecie instrumentu Pojmanskiego. Mniej wiecej raz na tydzien tenze dyzurny
obserwator OGLE zmienial tasme z danymi, co jakis czas mechanicznie wylaczal i wlaczal
komputer, jesli zdalne sterowanie z Warszawy okazywalo sie nieskuteczne. Mozna sobie
wyobrazic pelna automatyzacje, lecz sadze ze duzo lepszym rozwiazaniem jest pobliski
obserwator ktory od czasu do czasu doglada i sprawdza co sie dzieje. Oczywiscie, regularny
nadzor nad tym co sie dzieje sprawowal siedzacy w Warszawie Grzegorz Pojmanski - Internet
pozwala na taki luksus, obserwacjami na innej polkoli mozna zarzadzac nie wychodzac ze
swego mieszkania.
W polowie roku 2000 Dr. Pojmanski zainstalowal w Las Campanas Observatory trzy
znacznie wieksze kamery, kazda ma 2048 x 2048 pikseli. Dwie robia obrazy calego nieba w
ciagu paru nocy, jedna poprzez filtr V, czyli w barwie zoltej, druga poprzez filtr I, czyli w
bliskiej podczerwieni. Optyke stanowia standardowe teleobiektywy o ogniskowej 200
milimetrow i swiatlosile 2.8. Ponadto pracuje tam zaprojektowany przez Pojmanskiego
teleskop o srednicy 25 cm, ogniskowej 75 cm, i polu widzenia o srednicy 2 stopni. Mozna sie
spodziewac ze za pare lat zebrane dane beda zawierac pomiary dla ponad stu tysiacy gwiazd
zmiennych, wiekszosc z nich odkrytych dopiero tymi malymi instrumentami.
Oczywiscie mozna spytac: a po co nam te tysiace czy niebawem miliony gwiazd zmiennych?
Jest wiele bardzo roznych programow naukowych dla ktorych te gwiazdy okaza sie bezcenne.
A wiec wiele gwiazd zarowno pulsujacych jak i zacmieniowych jest bardzo dobrymi
"standartowymi swiecami". Oznacza to, ze wiemy jaka jest ich prawdziwa jasnosc. Mierzac
jasnosc obserwowana mozemy bez trudu obliczyc odleglosc. Okazuje sie, ze nawet 10-
centymetrowym teleskopem mozna bez trudu zarejestrowac wszystkie jasne czerwone
olbrzymy w calym ukladzie gwiazdowym zwanym nasza Galaktyka (Droga Mleczna).
Obserwujac okres pulsacji, ktory dla stosunkowa niezbyt jasnych gwiazd moze wynosic kilka
miesiecy, a dla najjasniejszych kilka lat, badamy rozklad czerwonych olbrzymow w skali
calej Galaktyki. Bardzo fragmentaryczne obserwacje wskazuja na to, ze struktura naszej
Galaktyki jest duzo mniej regularna niz sie tego spodziewano. Zapewne jest to wywolane
pochlanianianiem przez nia pobliskich mniejszych galaktyk, istny galaktyczny kanibalizm.
Poznanie procesu formowania sie galaktyk jest jednym z najwazniejszych elementow teorii
powstawania struktur we wszechswiecie. Badajac rozklad czerwonych olbrzymow
dokonujemy niejako badania "archeologiczne", szukamy pozostalosci po ostatnich aktach
"kanibalizmu", odkrywamy szczatki galaktyk ktore jescze nie zdazyly sie dobrze wymieszac z
reszta naszej Galaktyki.
Kompletne probki statystyczne roznych typow gwiazd nadaja sie swietnie do testowania teorii
ewolucji gwiazd. W trakcie swej ewolucji, trwajacej miliony, a nawet miliardy lat, gwiazdy
przechodza przez kolejne stany rownowagi. Stany te trwaja dlugo, lecz przejscia miedzy nimi
bywaja bardzo szybkie, moga trwac kilka tysiecy, a czasem zaledwie kilkadziesiat lat.
Oczywiscie, wiekszosc obserwowanych gwiazd znajduje sie w dlugo trwajacych stanach
rownowagi. Jezeli jednak badamy miliony gwiazd, to wykryjemy tez te bardzo krotko
trwajace "przeskoki" z jednego stanu rownowagi do nastepnego. Przy ogromnych postepach
teorii ewolucji gwiazd potrzebuje ona nadal licznych podporek obserwacyjnych, mozliwie
wielu testow na mozliwie roznorodnych etapach zycia gwiazd. Stad zainteresowanie
"przeskokami".
Dla wyznaczania rozmiarow Wszechswiata najdokladniejsza metoda jest tak zwana "drabina"
zlozona z kolejnych typow obiektow. Pierwszym waznym szczeblem tej drabiny jest
dokladne wyznaczenie odleglosci do Oblokow Magellana. Nie ma zgody wsrod astronomow
co do wartosci tej odleglosci, skrajnie oceny roznia sie o 20%. Blad ten przenosi sie potem na
tak zwana stala Hubble'a, a zatem i na rozmiary calego wszechswiata. Najlepsza metoda
wyznaczenia odleglosci do Oblokow Magellana opiera sie na tak zwanych gwiazdach
zacmieniowych. Ale metode te nalezy wykalibrowac w oparciu o najblizsze gwiazdy tego
typu, a to moga zrobic tylko male instrumenty, gdyz gwiazdy te sa za jasne dla duzych
teleskopow.
Liste te mozna by kontynuowac, ale najciekawsze bedzie to, czego nie potrafimy przewidziec,
na tym polegaja prawdziwe odkrycia. Jest bardzo wiele informacji o rozblyskach na
gwiazdach zwanych czerwonymi karlami. Sa to zjawiska podobne do rozblyskow
slonecznych, tylko znacznie potezniejsze. Przyczyna sa prawie napewno silne pola
magnetyczne ktorych struktura i natezenie sa wynikiem wspoldzialania konwekcji i szybkiej
rotacji gwiazd. Tymczasem sa doniesienia, oparte na starych obserwacjach, ze czasem zdazaja
sie nieporownanie silniejsze rozblyski na gwiazdach ktore sa gorace, a wiec nie maja
konwekcji. Wedle wspolczesnych teorii gwiazdy te "nie maja prawa" blyskac. Czy mozna
wierzyc archiwalnym kliszom fotograficznym? Jedynym sposobem na sprwadzenie realnosci
tych (a takze wielu innych hipotetycznych zjawisk) jest wykrycie ich w trakcie ich trawania i
natychmiastowa weryfikacja. Poniewaz sa to bardzo rzadkie zjawiska, wiec niezbedny jest
duzy strumien danych: bardzo liczne pomiary bardzo licznych gwiazd, oraz natychmiastowa
ich analiza, czyli oprogramowanie ktore pozwala na wykrycie zjawisk niezwyklych w kilka
sekund po ich zarejestrowaniu. W skali calej astronomii na calym swiecie nie istnieje dotad
taki system pracujacy w optycznej dziedzinie widma, w ktorej detektory maja najwieksza
ilosc pikseli.
Dyskutowany jest projekt zakrawajacy na "science fiction": zbudowania jeszcze jednego
teleskopu giganta z kamera zawierajaca poltora miliarda pikseli. Instrument taki moglby
wykrywac ogromna rozmaitosc obiektow zmiennych, blyskow wszelkiego typu, wielu
zadziwiajacych zjawisk, oczywiscie pod warunkiem ze bedzie odpowiednio oprogramowany.
Byc moze cudo takie bedzie dzialac za okolo 10 lat. No i bedzie z nim taki klopot: aby sledzic
rozne rzadkie i byc moze bardzo wazne zjawiska potrzebne beda inne ogromne teleskopy,
gdyz instrument gigant nie bedzie w stanie rejestrowac zjawisk jasnych - beda one wysycac
detektory. Tymczasem ogromna i wielowymiarowa przestrzen roznych typow zmiennosci jest
prawie niezbadana nie tyko w zakresie obiektow slabych ale tez i jasnych, ktore po ich
wykryciu moga byc sledzone przez inne male czy srednie instrumenty, ewentualni jesli
bardzo oslabna to dalsze sledzenie beda mogly przejac najwieksze teleskopy. Wazne jest to,
ze slabnacy jasny obiekt moze byc sledzony duzo dluzej i duzo dokladniej niz slabnacy obiekt
ktory od poczatku byl ledwo widoczny. Nie ma metody na przewidzenie w jakiej
podprzestrzeni nieznanych zjawisk odkrycia beda najciekawsze. Jest wiec sensowne zaczac
poszukiwania od obszarow latwych, nie wymagajacych kosztownej aparatury. Natomiast
zawsze niezbedne bedzie dobre oprogramowanie. Brak oprogramowania jest chronicznym
problemem wiekszosci przedsiewziec astronomicznych.
Jest pewna klasa zjawisk posrednich miedzy dalekimi blyskami czy gwiazdami zmiennymi a
zjawiskami w ziemskiej atmosferze, czy tuz poza nia: sa to najrozniejszych rozmiarow
kamienie, glazy, skaly i duze asteroidy, ktore raz po raz zblizaja sie do ziemi. Prawie
napewno niektore masowe zaglady gatunkow, na przyklad dinozaurow, zostaly spowodowane
spadkami asteroidy czy jadra komety o srednicy kilku kilometrow, powodujac powaznie
zaburzenie klimatu ziemi. Sa to oczywiscie bardzo rzadkie zjawiska. Ale mniej wiecej raz na
stulecie zdarza sie lokalny kataklizm, taki jakim byl meteoryt Tunguski. Zniszczyl on
[ Pobierz całość w formacie PDF ]