W Chile otwiera się pierwsze polskie obserwatorium działające poza granicami naszego kraju. Dzięki obserwacji kwazarów astronomowie chcą określić tempo rozszerzania się wszechświata.

z Pauliną Karczmarek rozmawia Magdalena Salik
Paulina Karczmarek / Materiały prasowe / doktor astronomii, Universidad de Concepción. Pracuje w chilijskim Obserwatorium Cerro Armazones należącym do Centrum Astronomicznego im. Mikołaja Kopernika PAN, fot. materiały prasowe
Kiedy stoi się obok jednego z teleskopów wchodzących w skład Obserwatorium Cerro Armazones* w Chile, na wzgórzu znajdującym się na wysokości ponad 2800 m n.p.m. – co się widzi dookoła?

To zależy, w którą stronę się patrzy. A także – czy patrzymy w ciągu dnia, czy w nocy. W dzień z progu OCA widać rozciągającą się dookoła pustynię. Kamienistą, bardzo pomarańczową, gdy słońce mocno świeci – nawet rdzawą. Ten marsjański krajobraz, z pomarańczem ziemi kontrastującym z niebieskością nieba, rozpościera się na wszystkie strony. W pogodny dzień można objąć wzrokiem jakieś sto czy dwieście kilometrów. Na wschodzie piętrzy się wulkan Llullaillaco, który wyznacza granicę Chile z Argentyną. Od zachodu z kolei jest Ocean Spokojny oraz majaczące na horyzoncie obserwatorium na górze Paranal, należące do Europejskiego Obserwatorium Południowego (ESO). Jeżeli zaś obejdziemy nasz ośrodek i spojrzymy na północ – albo gdy wyjrzymy przez okno kuchni lub z pokoju kontroli – zobaczymy budowę Ekstremalnie Wielkiego Teleskopu (ELT). Ten gigantyczny teleskop za miliard dolarów powstaje na sąsiednim szczycie, 1km w linii prostej od nas. Mamy więc ten przywilej, że nie dość, iż jesteśmy w naszym własnym obserwatorium, to jeszcze widzimy stamtąd największy teleskop, jaki będzie stał na Ziemi.

Ale to zupełne odludzie, prawda? Ile jest stamtąd do sklepu, miasta, bankomatu?

Od miasta Antofagasta dzieli nas jakieś 120 km. I tam faktycznie są bankomaty oraz lotnisko, gdzie lądujemy. Później udajemy się na zakupy, ponieważ do obserwatorium musimy zabrać ze sobą wodę pitną, którą wozimy w 20-litrowych baniakach. Na miejscu mamy co prawda kontener o pojemności 15 m sześc. z wodą, ale ona nadaje się tylko do mycia albo do prac budowlanych. Teraz np., gdy budujemy fundamenty pod nowy teleskop, trzeba podlewać beton, by nie wysechł za szybko – co jest możliwe przy tak małej wilgotności powietrza, jaka panuje na pustyni.

Po co nam obserwatorium aż w Chile? Nie prościej byłoby zbudować podobny ośrodek w Europie? W końcu np. w Rumunii też mamy góry wyższe od Rysów – a to znacznie bliżej niż Ameryka Południowa.

Wysokość nie stanowi jedynego istotnego czynnika, ważna jest również ilość bezchmurnych nocy w roku. W Chile jest ich ponad 330. W Europie natomiast mamy czasami więcej chmur niż pogodnego nieba, a przez chmury, używając teleskopów optycznych i podczerwonych, nie możemy prowadzić obserwacji. Więc potrzebujemy tyle bezchmurnych nocy, ile tylko się da. Wysokość przy tym też pomaga – jeśli pojawiają się chmury, przesuwają się poniżej nas. Pustynia Atakama, na której się znajdujemy, ma klimat idealny do prowadzenia obserwacji astronomicznych. Atakama jest położona pomiędzy oceanem, z zimnym oceanicznym prądem Humboldta, a wysokim pasmem Andów z siedmiotysięcznikami. Taki układ powoduje powstanie tzw. warstwy inwersji, która skutecznie blokuje napływ chmur i wilgotnego powietrza. Na naszych zdjęciach obserwatorium co prawda dość regularnie pojawiają się chmury – ale to dlatego, że stanowią ewenement, który za każdym razem aż chce się uwiecznić. Bezchmurne niebo jest na co dzień, nie ma się ochoty tego fotografować.

A jak jest w nocy? W jednym z wywiadów prof. Grzegorz Pietrzyński, szef obserwatorium OCA z Centrum Astronomicznego im. Mikołaja Kopernika, powiedział, że dzięki światłu gwiazd widać tam własny cień.

Zazwyczaj nie stoję na zewnątrz tak długo, żeby moje oczy się przyzwyczaiły i żebym to zauważyła. A nawet gdy stoję długo – nie patrzę na ziemię, tylko w niebo. Niebo nad Chile, czyli niebo południowe, ma dużo więcej gwiazd niż niebo północne, które widzimy w Polsce. Są na nim m.in. dwie galaktyki, które jesteśmy w stanie dostrzec gołym okiem: Wielki i Mały Obłok Magellana. My najczęściej obserwujemy je teleskopami, ale czasami wychodzimy na zewnątrz, żeby je zobaczyć gołym okiem. Przejmujący jest też widok Drogi Mlecznej. Tworzy szeroki pas gwiazd przechodzący przez całe niebo. Z Polski ledwo go widzimy. Natomiast z Chile można obserwować całą galaktykę i jej centrum – widok jest spektakularny. Tej ogromnej Drogi Mlecznej nie sposób uchwycić jednym spojrzeniem: trzeba odchylić głowę od lewej do prawej. I z powrotem.

Jak to się stało, że w ogóle mamy to obserwatorium?

Chyba każdy astronom marzy, żeby mieć własne, prywatne obserwatorium z kilkoma teleskopami. I by cały dostępny czas teleskopowy wykorzystywać na własne projekty. Takie marzenie miał prof. Rolf Chini z Uniwersytetu w Bochum. Zrealizował je: OCA to było obserwatorium niemieckie, którego budowa rozpoczęła się w 2005 r. W jego skład wchodziło kilka dobrych, działających teleskopów (choć za małych jak na nasze obecne potrzeby). W pewnym momencie po niemieckiej stronie skończyły się energia, finansowanie, pomysły naukowe, obserwatorzy, którzy mogliby jeździć do Chile i regularnie prowadzić obserwacje. My zaś mieliśmy to wszystko. Profesor Chini spotkał się kiedyś z prof. Grzegorzem Pietrzyńskim i wspólnie doszli do wniosku, że przejęcie obserwatorium przez Polaków to szansa, by dać ośrodkowi drugie życie. Współpraca rozpoczęła się w 2017 r., a trzy lata później podpisaliśmy umowę o przejęciu obserwatorium. Od tego czasu OCA jest nasze.

Teraz działają tam cztery teleskopy, a jeden jest budowany?

Tak. Dokładniej zaś: cztery teleskopy są nasze, jednak stoi tam jeszcze jeden teleskop, należący do Instytutu Astrofizyki im. Leibniza w Poczdamie. On jest jednak sterowany zdalnie, obserwatorów z Poczdamu widzimy najwyżej przez internet. Aktualnie, podczas renowacji obserwatorium, został wyłączony z użytku. W budowie jest zaś teleskop o średnicy zwierciadła aż 2,5 m. Będzie największy w OCA – wystarczająco duży, by nadawał się do realizacji projektów, jakie sobie wymarzyliśmy, że zrealizujemy, i na które dostaliśmy finansowanie.

Jakie to projekty?

Ten największy dwuipółmetrowy teleskop posłuży nam do zmierzenia odległości do kwazarów. Kwazary to inaczej aktywne jądra galaktyk. To są bardzo odległe obiekty – tak odległe, że w ich kontekście klasyczne myślenie o dystansie przestaje mieć rację bytu. Nie mówimy, że są w odległości kilometrów, lat świetlnych czy parseków od nas; mówimy, że są na przesunięciu ku czerwieni. I tu podajemy numer, np. 2, 3 albo więcej. To przesunięcie ku czerwieni oznacza, że kwazary się od nas oddalają, a czym większy numer, tym szybciej. Jednak nie mamy pojęcia, jak daleko się znajdują. W OCA chcemy więc zmierzyć odległości, jakie dzielą nas od kwazarów. To jest bardzo ambitny projekt. Mamy pomysł, jak to zrobić, i mamy w zespole fantastyczną osobę, ekspertkę, która się tym zajmuje. To pani prof. Bożena Czerny. Dzięki jej wsparciu merytorycznemu mamy nadzieję, że nam się uda.

A dlaczego chcemy mierzyć odległość od kwazarów? Co nam to da?

Ponieważ dzięki temu możemy policzyć stałą Hubble’a. To parametr, który określa tempo rozszerzania się wszechświata. To, że wszechświat się rozszerza, wiemy od dawna. Jednak to, że się rozszerza coraz szybciej, stanowi nowość, nagrodzoną Noblem w 2011 r. Odkrycie, że tempo rozszerzania się kosmosu rośnie, było wielkim zaskoczeniem dla całego astronomicznego świata. Dlaczego? Ponieważ nie do końca wiemy, dlaczego wszechświat powinien się rozszerzać. Z modeli wynika, że powinien się zatrzymać albo chociaż zwolnić – tymczasem coraz prędzej ekspanduje.

Nie umiemy wytłumaczyć, dlaczego tak się dzieje. Jednak chcielibyśmy to jakoś mierzyć – dlatego tę tajemniczą siłę, która napędza rozszerzanie się wszechświata, nazwaliśmy ciemną energią. Nie mamy pojęcia, czym ona jest: dopiero chcemy ją badać i poznać jej naturę.

Stała Hubble’a już w tej chwili jest wyznaczana. Jednak różne metody dają różne wyniki, których nie udaje się uzgodnić, prawda?

Tak. Są dwie grupy metod – do niedawna obie były obarczone dość dużymi błędami i uzyskiwane wyniki mniej więcej się zazębiały. Problem się zaczął, kiedy metody stały się na tyle dobre i dokładne, że zaczęły dawać dwie różne wartości. Dlaczego pierwszą metodą obliczeniową uzyskuje się jedną wartość stałej Hubble’a, a drugą metodą inną? Nie wiadomo. My w OCA szukamy odpowiedzi na to pytanie. Wykorzystujemy przy tym pierwszą metodę, czyli tzw. metodę klasyczną. Opiera się ona na drabinie odległości, czyli kilku zazębiających się metodach pomiaru odległości do różnych obiektów w kosmosie − takich jak np. supernowe czy cefeidy, gwiazdy zmienne pulsujące. Niestety każda z metod ma swój zasięg stosowalności, więc wyznaczenie stałej Hubble'a wymaga zastosowania kilku metod jedna po drugiej – czyli jakby wspinania się po kolejnych szczeblach drabiny. Na pierwszym szczeblu mierzy się odległości do cefeid w naszej Drodze Mlecznej. Na drugim szczeblu mierzy się odległości do dużo dalszych galaktyk, takich jak Andromeda, w których dostrzegliśmy wybuch supernowej i jednocześnie zaobserwowaliśmy cefeidy. Dwie metody wyznaczania odległości – cefeidy i supernowe – zazębiają się, bo odległość wyznaczona jedną i drugą metodą musi być taka sama. Trzeci i ostatni szczebel to już najgłębszy i najdalszy kosmos, w którym odległości za pomocą supernowych mierzy się tak daleko, jak się da, do wszystkich supernowych, które są wystarczająco jasne, by je zaobserwować. My przede wszystkim skupiamy na tym, żeby zminimalizować błędy, które powstają w trakcie pomiarów i obliczeń, bo błąd popełniony na niższym szczeblu jest przenoszony na wyższy i zwiększa całkowity błąd wyznaczenia stałej Hubble’a. Dzięki temu, że korzystamy jednocześnie z wielu metod na każdym szczeblu, jesteśmy w stanie odkryć błędy systematyczne, zminimalizować błędy statystyczne i koniec końców uzyskać dokładniejszą kalibrację kosmicznej skali odległości.

Oprócz metody klasycznej jest jeszcze model Lambda-CDM, czyli Lamba-Cold Dark Matter. To model kosmologiczny, który zakłada, że wszechświat w prawie 70 proc. jest wypełniony ciemną energią. Model ten próbuje przewidzieć, jaka powinna być wartość stałej Hubble’a na podstawie obserwacji pochodzących z najwcześniejszego wszechświata, czyli z promieniowania reliktowego tła. To jest promieniowanie, które zostało wystrzelone z całego wszechświata zaledwie kilkaset tysięcy lat po wielkim wybuchu. Wciąż jesteśmy w stanie obserwować je jako promieniowanie reliktowe i zmierzyć jego niejednorodności. W zależności od tego, jak duże są te niejednorodności, uzyskujemy mniejszą bądź większą wartość stałej Hubble’a. Oczywiście do tego dochodzi jeszcze bardzo dużo parametrów, które można troszeczkę pozmieniać i kosmolodzy starają się to robić – jednak niezależnie od tego, co robią, ta metoda nigdy nie daje takiej wartości stałej Hubble’a, która wychodzi z drabiny odległości w metodzie klasycznej.

Dlaczego?

Nikt nie wie. Gdzieś musi być problem, może w drabinie wyznaczania odległości? Między innymi dlatego właśnie chcemy użyć kwazarów, co dałoby nową niezależną metodę wyznaczenia stałej Hubble’a. Możliwe jest jednak, że problem w ogóle leży w całej naszej obecnej teorii wszechświata. Że jest coś we wszechświecie, czego jeszcze nie rozumiemy. To byłaby fantastyczna nowina, impuls do nowych modeli kosmologicznych, które, być może, powiedziałyby nam coś nowego – nawet rewolucyjnego – o kosmosie.

Dlaczego do mierzenia odległości do kwazarów potrzeby nam jest aż własny teleskop? Przecież jest tyle teleskopów – na orbicie, naziemnych. Nie wystarczyłby dostęp do nich?

Żeby móc prowadzić obserwacje w ośrodku zarządzanym przez międzynarodowe konsorcjum naukowe, trzeba zaaplikować o tzw. czas teleskopowy. Czyli złożyć wniosek i wziąć udział w pewnego rodzaju konkursie. Konsorcja takie jak ESO mają specjalny panel ekspertów, który sprawdza wszystkie wnioski i ocenia, które są najbardziej wartościowe. I to ich autorzy dostają czas obserwacyjny. Oczywiście wnioskuje się na konkretny teleskop i na konkretną ilość czasu. Zazwyczaj dostaje się kilka nocy obserwacyjnych na semestr, a semestr trwa pół roku. Można więc zdobyć te kilka nocy, ale nie zawsze to się udaje, bo po prostu inne projekty są lepsze − i to jest w porządku, tak powstaje jakościowa nauka. Jednak w przypadku projektu, który chcemy realizować, potrzebujemy praktycznie miesięcy czasu teleskopowego na semestr. Chcemy obserwować kwazary regularnie: co kilka dni albo raz na noc. Żadne konsorcjum naukowe nie dałoby nam tyle czasu na żadnym teleskopie. No i w związku z tym wybudowaliśmy nasz własny.

Obserwatorium będzie cały czas obsadzone – obserwatorzy mają do niego przyjeżdżać na trzytygodniowe sesje. Czy to konieczne? Nie moglibyśmy obsługiwać naszych teleskopów tak, jak naukowcy z Poczdamu obsługują swój − zdalnie?

Niestety nie. Niestety i na szczęście − na szczęście dla nas, bo możemy jeździć do Chile – na miejscu mogą pojawić się trudności, z którymi nie poradzilibyśmy sobie na odległość. To są czasem rzeczy na pozór banalne − na przykład kiedyś mysz przegryzła nam kabel. Nie wiadomo, skąd się wzięła na wysokości 2800 m n.p.m., ale wyrządziła szkody. Czegoś takiego nie naprawi żaden zdalny reset. Poza tym na Atakamie jest bardzo mała wilgotność powietrza. Przez to czasami dochodzi do spontanicznych rozładowań elektrycznych. Jeśli uszkodzą elektronikę, możemy zainstalować zapasowy sprzęt, który mamy na miejscu. Ale ktoś musi tam stale być. Trzeci powód: w OCA mamy teleskop, który będzie obserwować w zakresie podczerwieni. Kamera tego teleskopu musi być bardzo mocno schłodzona. Używa się do tego ciekłego azotu, a ciekły azot ma to do siebie, że w pewnym momencie wyparowuje. Trzeba więc uzupełniać jego braki, i to praktycznie codziennie. Zakłada się grube, izolujące rękawice, bierze specjalny termos z ciekłym azotem i przelewa go do specjalnego pojemnika, który jest w kontakcie z kamerą i ją chłodzi. Wszystko to robi się ręcznie.

Jak wygląda praca z profesjonalnym teleskopem? Nie patrzy się już przez żadne szkiełko, prawda?

Mamy pokój kontroli, czyli biuro z potężnym blatem, na którym aktualnie stoją trzy monitory. Każdy służy do czegoś innego: jeden do sprawdzania danych, które właśnie spłynęły z teleskopu, drugi do operowania teleskopem, a trzeci do monitorowania samego teleskopu. Natomiast same obserwacje wykonuje kamera, bardzo podobna do tych, które mamy w naszych telefonach czy w aparatach fotograficznych. Ona po prostu rejestruje zdjęcie, ale tylko w jednym kolorze. Sami decydujemy w jakim. Nakładamy na przykład filtr niebieski i wyłapujemy tylko światło niebieskie, a cała reszta jest pochłaniana. Tak samo jest z czerwonym i z podczerwonym.

A jak wygląda dzień pracy obserwatora?

Lubię żartować, że praca w biurze trwa od dziewiątej do piątej, a nasza od piątej do dziewiątej. Zaczynamy o piątej wieczorem i kładziemy się spać o dziewiątej rano. Ale tak naprawdę startujemy na dwie–trzy godziny przed zachodem słońca. Siadamy przy komputerze i za pomocą programu komputerowego otwieramy kopułę osłaniającą teleskop, a potem panel, pod którym jest lustro. Następnie teleskop jest jeszcze przewietrzany i dopiero wtedy można zacząć obserwacje. Prowadzimy je od zachodu mniej więcej do wschodu słońca. Po czym zamykamy teleskop, by chronić go przed światłem słonecznym. Gdyby padło na tak wielkie zwierciadło, od razu spaliłoby całą elektronikę.

Jak powstaje nowy teleskop? Kto go buduje?

Mamy włoską firmę, która się zajmuje budowaniem kopuł, austriacką, która konstruuje teleskopy, i angielską zajmującą się tworzeniem kamer.

Ile to będzie kosztować?

Na budowę tego dwuipółmetrowego teleskopu dostaliśmy olbrzymi grant z European Research Council. To jest grant ERC Synergy. Pieniądze są wręcz astronomiczne, bo mówimy o kwocie 14 mln euro. Tutaj muszę dodać, że uzyskanie tego grantu nie byłoby możliwe bez wsparcia finansowego z Ministerstwa Edukacji i Nauki, które było fundamentem, dosłownie i w przenośni. Dosłownie, ponieważ dzięki niemu mogliśmy wylać fundamenty pod budowę nowych teleskopów mniejszych niż dwuipółmetrowy.. Oraz metaforycznie, bo kiedy wnioskowaliśmy o grant ERC Synergy, mogliśmy powiedzieć, że już mamy miejsce, w którym możemy ustawić teleskop. To bardzo pomogło nam dostać ten grant. Co ciekawe, nasze obserwatorium stoi na gruncie, który jest dzierżawiony przez Chile Europejskiemu Obserwatorium Południowemu. To jest ewenement na skalę światową. Nie ma innej takiej obserwacyjnej matrioszki, że jedno obserwatorium działa w drugim. A tymczasem nasze obserwatorium OCA to tak naprawdę międzynarodowy projekt astrofizyczny realizowany w Europejskim Obserwatorium Południowym ESO i zarządzany przez Centrum Astronomiczne im. Mikołaja Kopernika Polskiej Akademii Nauk (CAMK PAN) w Warszawie. Tak się nazywa oficjalnie.

Jak to się stało, że pracuje pani tak daleko?

Przyjechałam jakieś cztery lata temu na staż podoktorski. Moim promotorem w Obserwatorium Astronomicznym Uniwersytetu Warszawskiego był prof. Grzegorz Pietrzyński i byłam członkinią Projektu Araucaria, realizowanego w CAMK. A na staże podoktorskie wyjeżdżamy właśnie do Chile. Między innymi po to, żeby zebrać większe doświadczenie obserwacyjne, ale także, żeby pobyć w innym miejscu, popracować w innym środowisku. Napisałam doktorat z wpływu podwójności na gwiazdy pulsujące. Lubię tłumaczyć to tak, że nasze Słońce nie jest gwiazdą ani podwójną, ani pulsującą, więc nie ma żadnego odniesienia... Ale w kosmosie zdecydowana większość gwiazd jest w układach podwójnych. Te gwiazdy kręcą się wokół wspólnego środka masy, trochę jak na takiej karuzeli − trzymają się siłami grawitacji, a niektóre z nich jeszcze na dodatek pulsują. Kiedy gwiazda pulsuje, zmienia swoje rozmiary, swoją temperaturę i swoją jasność. Ja się zajmuję gwiazdami pulsującymi radialnie, które po prostu puchną i się kurczą. Jeżeli taka gwiazda jest dodatkowo w układzie podwójnym, pojawiają się dodatkowe mechanizmy, które mogą wpływać na jej pulsacje. No i to właśnie badam. ©Ⓟ

Ważne

W dniu 28 listopada 2023 roku obserwatorium zmienia nazwę z Obserwatorium Cerro Armazones na Obserwatorium Cerro Murphy.

Siłę, która napędza rozszerzanie się wszechświata, nazwaliśmy ciemną energią. To ją badamy