Uniwersytet Mikołaja Kopernika w Toruniu

Zobaczyć niewidzialne, czyli obserwacje czarnej dziury w centrum Drogi Mlecznej

obrazek: fot.www.eso.org]
fot. www.eso.org

Astronomowie i astronomki to specjaliści od obserwacji Wszechświata, który w dużej mierze jest niewidzialny ani dla ludzkiego oka, ani dla największych teleskopów optycznych na Ziemi. Wykorzystują w tym celu obserwacje z całego zakresu widma elektromagnetycznego – od bardzo energetycznego promieniowania gamma do promieniowania radiowego ukazującego chłodne, pyłowe obszary galaktyk.

Istnieją jednak obiekty we Wszechświecie, które nie emitują żadnego rodzaju promieniowania, a ich badania możliwe są tylko poprzez obserwacje ich oddziaływania na otoczenie pobliskich gwiazd, gazu i pyłu.

To czarne dziury, których istnienie na gruncie teoretycznym wywnioskował sir Roger Penrose, posługujący się teorią względności Einsteina. Dowodu obserwacyjnego na istnienie czarnej dziury w Drodze Mlecznej dostarczyły z kolei wieloletnie obserwacje astronomiczne zespołów profesora Reinherda Genzela oraz Andrei Ghez. Cała trójka zasłużenie uhonorowana została tegoroczną Nagrodą Nobla z Fizyki. W tym krótkim artykule przedstawię obserwacyjną część tego odkrycia, wykonaną w Instytucie Maksa Plancka ds. Fizyki Pozaziemskiej (Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, MPE) w Garching k. Monachium.

Obserwacje w podczerwieni

Kiedy rozpoczynałam doktorat w 2009 roku w kierowanej przez Reinharda Genzela grupie podczerwonej w MPE, nie miałam świadomości, że raptem niecały rok wcześniej opublikował wyniki, które teraz nagrodzono Noblem. Całe nasze piętro żyło wówczas wystrzeleniem Kosmicznego Teleskopu Herschela w maju 2009 roku, którego jeden z instrumentów – PACS – został zbudowany w piwnicy MPE. Był to instrument działający w zakresie dalekiej podczerwieni, dostarczający informacji o promieniowaniu pyłu i gazu w galaktykach.

Tego rodzaju obserwacje wykorzystywane są w dużej mierze do badania procesów powstawania gwiazd, które zachodzą w największych zagęszczeniach obłoków molekularnych, całkowicie niewidzialnych w świetle widzialnym – zarówno w Drodze Mlecznej, jak i w bardzo odległych galaktykach młodego Wszechświata. Nie mogą być wykonywane z powierzchni Ziemi z powodu blokującego działania atmosfery, a tylko na pokładzie teleskopów kosmicznych. Czas pracy takich teleskopów ograniczony jest przez układ chłodzenia i w przypadku Herschela wyniósł 5 lat.

Na szczęście, z powierzchni Ziemi możliwe są obserwacje w bliskiej podczerwieni – w szczególności w bardzo suchych i wysoko położonych lokalizacjach. Tego rodzaju obserwacje pozwalają dostrzec światło gwiazd, pomimo iż przesłonięte są pyłem i gazem międzygwiazdowym. To właśnie budowa i mądre wykorzystanie instrumentów na bliską podczerwień, które zainstalowane zostały na ośmiometrowych teleskopach Europejskiego Obserwatorium Południowego w Chile, pozwoliły na odkrycie na miarę Nobla.

Tajemnicze źródło Sag A*

Centrum Galaktyki znajduje się w gwiazdozbiorze Strzelca i zidentyfikowane zostało przy użyciu obserwacji radiowych w latach 60. minionego wieku. Radioźródło Sag A* emitowało niespotykany w Drodze Mlecznej strumień promieniowania, który nie mógł pochodzić od pojedynczych gwiazd. Początkowo spodziewano się, że wiąże się z dużym zagęszczeniem gwiazd i materii położnych na niewielkiej przestrzeni, których jednak nie jesteśmy w stanie rozdzielić przy użyciu dostępnych teleskopów.

Alternatywną interpretacją było istnienie czarnej dziury, która z kolei nie emituje żadnego promieniowania. Pojawił się pomysł, aby rozmiar i masę źródła Sag A* wyliczyć na podstawie ruchu gwiazd w jego pobliżu. Prędkości gwiazd malejące z kwadratem odległości są charakterystyczne dla pojedynczych, centralnych źródeł o dużych masach, co znamy z naszego Układu Słonecznego. W przypadku centralnej gromady gwiazd, spodziewane były bardziej chaotyczne ruchy gwiazd, niezależne tak bardzo od odległości od centrum, a bardziej od rozkładu jej masy. Dowód na istnienie czarnej dziury był zatem w zasięgu astronomów, jednak dla tak precyzyjnych pomiarów położeń i prędkości gwiazd konieczne były nowe techniki uzyskiwania obrazów w bliskiej podczerwieni.

Postępy technologiczne

W celu rozdzielenia światła od pojedynczych gwiazd w centrum Galaktyki oraz dokładnych pomiarów ich położeń, grupa podczerwona w MPE wykorzystywała najnowsze rozwiązania technologiczne do poprawy jakości obrazów. Korzystała z ośmiometrowych teleskopów VLT w Chile, dla których zbudowała kolejno instrumenty NACO, SINFONI i GRAVITY. Cechą wspólną tych instrumentów jest umiejętne eliminowanie efektów turbulencji atmosferycznej. Do tego celu używa się gwiazdy referencyjnej – prawdziwej lub sztucznie wytworzonej przez laser, który tworzy jasny punkt na wysokości 80 km powyżej teleskopu. Obserwowane odkształcenia obrazu gwiazdy referencyjnej wywołane przez ruchy atmosferyczne są w czasie rzeczywistym „naprawiane” poprzez specjalne, deformowalne lustro.

Taka sama korekta zastosowana do obserwacji właściwego obiektu astronomicznego pozwala na uzyskanie obrazu o nieporównywalnie lepszej jakości. Dodatkowo, w przypadku działającego od 2015 roku GRAVITY, do tego rodzaju obserwacji wykorzystywane są jednocześnie wszystkie cztery teleskopy VLT. Zastosowana metoda składania obrazu – interferometria optyczna, pozwala na uzyskanie obserwacji, które mają tak dobrą rozdzielczość jakby uzyskiwane były teleskopem o średnicy aż 130 m!

Gwiazda S2

Spośród około 30 monitorowanych gwiazd, jedna w szczególności zwróciła uwagę badawczy – była to gwiazda S2 o okresie orbitalnym wynoszącym niecałe 16 lat. Dawała zatem nadzieje na wyciągnięcie ważnych wniosków na temat obiektu centralnego w czasie życia zainteresowanych tym astronomów. Dla porównania, czas okrążenia centrum Galaktyki przez nasze Słońce wynosi aż 200 milionów lat! Orbita gwiazdy S2 ma kształt mocno wydłużonej elipsy i nachylona jest pod kątem 46 stopni do płaszczyzny nieba. W 2002 roku osiągnęła najbliższe położenie do centrum Galaktyki, wynoszące jedynie około 120 jednostek astronomicznych (odległości Ziemia-Słońce). Obserwacje jej orbity przez obie grupy badaczy pozwoliły ustalić, że obiekt centralny posiada masę wynoszącą 4 miliony mas Słońca, skupione w jednym punkcie w przestrzeni. W sposób empiryczny pozwoliły zatem na udowodnienie, że w sercu naszej Drogi Mlecznej znajduje się supermasywna czarna dziura.

Przepis na Nobla?

Obserwacja z bliska funkcjonowania grupy podczerwonej w Maksie Plancku skłania do refleksji na temat warunków niezbędnych do osiągnięcia sukcesu naukowego tej skali. Na pewno niezbędne jest stabilne finansowanie pozwalające na ambitne, dalekosiężne plany, bo czy można sobie wyobrazić grant NCN na 16-letni projekt badawczy? W MPE kluczem było dodatkowo połączenie w ramach jednej grupy umiejętności w zakresie budowy instrumentów (często to również minimum 10 lat!) oraz analizy i interpretacji danych astronomicznych.

Gdyby nie dobra atmosfera pracy, wzmacniana przez codzienną wspólną kawę o 10:00 rano i coroczne wyjazdy integracyjne do zamku Ringberg, trudno byłoby osiągnąć ten ważny balans między tym, co marzy się naukowcom, a tym co są w stanie wymyślić i zbudować inżynierowie. Ważna na pewno była też różnorodność tematów badawczych rozwijanych w ramach grupy. Reinhard jest autorem 570 recenzowanych publikacji (h=136) i tak naprawdę większość z nich wcale nie dotyczy centrum Galaktyki! Są wśród nich liczne i ważne badania dotyczące powstawania gwiazd we wczesnym Wszechświecie, własności galaktyk wraz z jej materią widzialną i niewidzialną itd. itp.

Aby móc sobie pozwolić na podejmowanie wielu wątków naukowych, często testujących ryzykowne hipotezy, potrzebna jest spora grupa współpracowników, rekrutowanych z całego świata specjalistów. Są to osoby często niemówiące po niemiecku, a jednak potrafiące odnaleźć się w nowym środowisku dzięki wewnętrznej integracji grupy oraz nieocenionej pomocy wykwalifikowanej kadry administracyjnej.

Życzę nam wszystkim, aby otrzymanie statusu uczelni badawczej przez UMK było pierwszym krokiem do stworzenia warunków sprzyjających tej klasy odkryciom również w Toruniu.

Zdjęcia: www.eso.org

Dr Agata Karska – Wydział Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej UMK.

pozostałe wiadomości

galeria zdjęć

 [fot.www.eso.org]  [fot.www.eso.org]