Narodziny czarnej dziury

Najpierw mieli ledwie 10 tys. dolarów. A potem pękło niebo

Tę mikroskopijną jak na badania naukowe kwotę dostali od prof. Bohdana Paczyńskiego, nieżyjącego już wybitnego polskiego astrofizyka. W stanie wojennym został on w USA, ale o naszych naukowcach nie zapomniał. Z własnej kieszeni fundował im stypendia i wspierał. Pomógł Grzegorzowi Wrochnie i Lechowi Mankiewiczowi, dwóm młodym fizykom, którzy wrócili z zagranicy i nie wiedzieli, co ze sobą zrobić. Paczyński, który od dawna interesował się tajemniczymi rozbłyskami promieniowania gamma docierającymi do Ziemi z kosmosu, zaproponował im nowatorski projekt ich poszukiwania.

Wspomagani przez Grzegorza Pojmańskiego z Obserwatorium Astronomicznego Uniwersytetu Warszawskiego Wrochna (dzisiaj szef Instytutu Problemów Jądrowych w Świerku) i Mankiewicz (dyrektor Centrum Fizyki Teoretycznej PAN) zabrali się do roboty. Zaprosili do współpracy m.in. Aleksandra Filipa Żarneckiego z Instytutu Fizyki Doświadczalnej UW, wzięli do pomocy studentów i doktorantów, zdobyli państwową dotację i ruszyli z programem, który nazwali "Pi of the Sky". W 2004 r. wysłali prototypową aparaturę skanującą niebo do amerykańskiego obserwatorium Las Campanas na pustyni Atacama w Chile. Cztery lata później dostali swoją gwiazdkę z nieba. Jak sami mówią - sfotografowali narodziny czarnej dziury. O ich sukcesie, a także pracy naukowców z całego świata, którzy obserwowali te narodziny, pisze dzisiejsze "Nature".

Uśmiech z nieba

Amerykanie nazwali je GRB - Gamma Ray Bursts, czyli błyskami promieniowania gamma. Pierwsze zauważyły je satelity szpiegowskie USA, które w latach 60. przeczesywały niebo w poszukiwaniu promieniowania towarzyszącego próbom z bronią jądrową. Z Ziemi GRB nie można zauważyć, bo atmosfera pochłania promienie gamma.

Nikt wtedy nie wiedział, skąd się biorą te wybuchy trwające od ułamków sekundy do kilku minut. I dlaczego, u diabła, w tak krótkim czasie emitują tak potężną dawkę energii - większą niż nasze Słońce wyprodukuje w czasie całego, trwającego 10 mld lat życia?

Długo myślano, że musi chodzić o wydarzenia w naszej Galaktyce zwanej Drogą Mleczną. Zakwestionował to w latach 80. prof. Paczyński, twierdząc, że GRB pochodzą z miejsc oddalonych od nas o miliardy lat świetlnych. Dekadę później jego hipotezę potwierdziły obserwacje za pomocą specjalistycznych satelitów.

Dzisiejsze teorie mówią, że dłuższe błyski, trwające do kilku minut, związane są z eksplozjami podobnymi do wybuchów supernowych, masywnych gwiazd, które po wypaleniu zapadają się, rodząc czarne dziury. Te krótsze mają być efektem zderzenia dwóch gwiazd neutronowych, podczas którego także dochodzi do powstania czarnej dziury.

Wiemy też, że rozbłyskom gamma towarzyszy promieniowanie elektromagnetyczne we wszystkich zakresach widma - także w świetle widzialnym. Jeżeli mamy dużo szczęścia, możemy taki wybuch zobaczyć. Nawet gołym okiem. Naukowcy z "Pi of the Sky" mieli bardzo dużo szczęścia. Prawdę mówiąc, mieli piekielnego farta. Choć niektórzy z nich wolą mówić, że to opatrzność boża się do nich uśmiechnęła.

Najjaśniejszy

W środę 19 marca o 7.12 rano naszego czasu amerykański satelita Swift, wybudowany specjalnie do wyłapywania promieniowania gamma, zaobserwował niezwykle silny błysk nadlatujący z konstelacji Wolarza (niedaleko Wielkiej Niedźwiedzicy), oznaczając go jednocześnie numerkiem 080319B. Literka B odegrała w tej historii bardzo ważną rolę. Ów GRB był bowiem drugim, który tej nocy dotarł do Ziemi. Pierwszy, 080319A, był słabszy i prawie nieinteresujący. Spowodował jednak, że łowcy rozbłysków gamma z całego świata zaalarmowani przez Swifta natychmiast skierowali swoje teleskopy na ten kawałek nieba, chcąc złapać towarzyszące promieniowaniu gamma światło widzialne. Zrobił to także komputer projektu "Pi of the Sky" sterujący dwiema kamerami zainstalowanymi w Chile.

Dzięki temu, kiedy o 7.13 Swift dopiero informował astronomów o odkryciu, polska aparatura fotografowała już "bliźniaczy" błysk optyczny. Dopiero po kilkunastu sekundach dziesiątki, a potem setki teleskopów rozmieszczonych na Ziemi zaczęły oglądać GRB 080319B w zakresie fal radiowych, mikrofal, w świetle widzialnym. Dzięki tym wszystkim obserwacjom wiemy, że tego dnia byliśmy świadkami najjaśniejszego rozbłysku zaobserwowanego kiedykolwiek przez człowieka. Można go było zobaczyć gołym okiem, "płonął" przez pół minuty. Wydarzył się bardzo, bardzo daleko - w odległości 7,5 mld lat świetlnych. A więc sprzed 7,5 mld lat, bo tyle czasu światło potrzebowało na dotarcie do Ziemi. To przeszło połowa wieku Wszechświata!

Wszyscy poza Polakami i europejskim automatycznym teleskopem TORTORA, który przystąpił do obserwacji wkrótce po nich, widzieli jednak tylko końcówkę błysku, "gasnącą gwiazdę".

Rzeczy się nie rozlazły

Jak to się stało, że polscy naukowcy za pomocą prototypowej i niewielkiej instalacji złożonej z dwóch aparatów cyfrowych, na którą wydali do tej pory ledwie 200 tys. zł, wyprzedzili setki obserwatorów z całego świata?

- Nasz detektor patrzy na 1/60 część nieba - tłumaczy Aleksander Filip Żarnecki. - To bardzo mały kawałek, ale jak na teleskop bardzo rozległy. Normalne teleskopy dużo większych rozmiarów niż nasze mają mniejsze pole widzenia.

- Niektórzy po prostu mieli pecha - dopowiada Lech Mankiewicz. - Obok Las Campanas jest francuski teleskop TAROT. Fantastyczny, kosztujący 1,5 mln dol. teleskop automatyczny, który akurat tego dnia był nieczynny. Amerykanie mają system teleskopów ROTSE, po jednym na każdym kontynencie, żeby w każdej chwili mieć sprzęt po nocnej stronie Ziemi. I tak się im nieszczęśliwie przytrafiło, że w jedynym z tych teleskopów, w tym, który mógł zobaczyć GRB 080319B, rozszczelniła się kamera. Para wodna, która dostała się do środka, zniszczyła układy elektroniczne.

- My byliśmy gotowi. Jak powiedział jeden mój kolega z Moskwy, widocznie Pan Bóg życzył sobie, żebyśmy na własne oczy zobaczyli, jak wielki jest Wszechświat, który stworzył - opowiada Mankiewicz.

Kiedy mówię, że samo odkrycie to jeszcze nie wszystko i że wielu polskich naukowców nie wie, jak sprzedać swoją pracę, Mankiewicz się uśmiecha. - Poinformowaliśmy media, że jako pierwsi na świecie sfilmowaliśmy narodziny czarnej dziury. Ten tytuł został powielony na dziesiątkach tysięcy stron internetowych, we wszystkich językach świata. Nawet Wolszczan, kiedy na początku lat 90. odkrył pierwszy pozasłoneczny układ planetarny, nie miał takiej prasy.

- Ale to nie było takie proste, jak się może wydawać. Przez cztery lata musieliśmy utrzymać zespół, było mnóstwo pracy, mnóstwo nerwów. Wie pan, jak rzeczy lubią się rozłazić.

Pi, czyli kawałek

Już na samym początku uczeni z "Pi of the Sky" wymyślili, że ich projekt będzie miał nie tylko charakter badawczy, ale także edukacyjny. Dlatego wciągają do pracy studentów i doktorantów. Młodzi ludzie dostają prawdziwe naukowe zadania. Jeśli coś zepsują, ucierpi na tym cały projekt.

- Szukamy ich, pytając profesorów o ambitnych studentów - wyjaśnia Mankiewicz. - A czasem to profesorowie nas pytają, czy nie mielibyśmy czegoś dla ich wychowanków. Nasz projekt przestał być anonimowy.

- Wyprodukował już kilka prac licencjackich, kilka magisterskich i kilka tygodni temu pierwszy doktorat - cieszy się naukowiec. - Na tanim projekcie wychowujemy ludzi, którzy już niedługo będą kierować projektami kosztującymi po kilkaset milionów euro.

- Wie pan, bez dobrych ludzi to można zmarnować każde pieniądze. A my znaleźliśmy superzdolnego studenta na wydziale elektroniki, który jak zdawał na studia, to przyniósł zbudowanego przez siebie robota i już go o nic nie pytali, tylko przyjęli. W Pracowni Detektorów Instytutu Fizyki Doświadczalnej UW mamy bardzo dobrych inżynierów, prawdziwa klasa światowa. Jak im powiedzieliśmy, co chcemy, to aż im się oczy zaśmiały - opowiada Mankiewicz. - Elektronikę kamer opracował Grzegorz Kasprowicz - genialny doktorant Politechniki Warszawskiej. Korzystaliśmy też z pomocy niewielkich firm high-tech. W ten sposób wspólnym wysiłkiem powstała nasza aparatura. Przyszedł Marcin Sokołowski, świetny programista. To on napisał szkielet tego systemu, podstawę, na której trzyma się 200 tys. linii kodów i która ożywia nasz detektor.

Teraz nasi naukowcy (w projekcie współpracuje kilkanaście ośrodków, oprócz już wymienionych m.in. Centrum Badań Kosmicznych PAN i Instytut Systemów Elektronicznych Politechniki Warszawskiej) dzięki dotacji z Ministerstwa Nauki rozbudowują swój detektor o kolejne kamery. W sumie będzie ich 24. - Będziemy obserwować aż jedną czwartą nieba - emocjonuje się Żarnecki. - To było właśnie założenie prof. Paczyńskiego. - Na początku wprawdzie zakładaliśmy, że będziemy mieli jeszcze więcej kamer i skontrolujemy połowę nieba , czyli około trzech steradianów. Stąd nazwa programu - "Pi of the Sky", czyli Pi steradianu, dokładnie połowa widocznego nieba. Ale zdecydowaliśmy, że musimy nieco zwiększyć zasięg i wyposażyć kamery w droższą optykę. Na pełne Pi nie starczyło nam już pieniędzy - mówi Żarnecki.

Redakcyjna kuchnia

Praca w "Nature" jest sygnowana przez 34 instytucje badawcze z całego świata, 93 osoby, w tym 10 z Polski. Pytam naszych uczonych, czy pisanie artykułu w tak dużym gronie nie było większym wyzwaniem niż samo odkrycie.

Mankiewicz nie ukrywa, że pierwsze skrzypce grali ludzie od satelity Swift. Bo to oni zarejestrowali błysk gamma i poinformowali o nim innych astronomów. - Technicznie to wyglądało tak, że pracę pisała Judith Racusin, doktorantka z Uniwersytetu Penn State. A każda z grup badawczych wybierała swojego rzecznika, który potem dyskutował z innymi podczas burzliwych telekonferencji o tym, jak ma wyglądać tekst.

- Zaraz na początku wybuchła walka pomiędzy tymi, którzy odkryli błysk i uważali, że było to niezwykłe wydarzenie, a teoretykami, którzy chcieli wepchnąć do tekstu swoje dywagacje na temat powstawania GRB w ogóle. W końcu sami teoretycy zaczęli się kłócić o swoje parametry - śmieje się Mankiewicz. - Próbowałem im uświadomić, że w ten sposób na pewno nie napiszemy pracy do "Nature", apelowałem, żeby się opanowali, ale po prostu nie szło się przebić. W końcu kiedy każdy oznaczył swoje terytorium, dogadali się i wysłaliśmy tekst do redakcji. 40 stron! I co? Recenzent kazał go dramatycznie skrócić, a teoretyczne dywagacje wywalić do kolejnych publikacji, już nie w "Nature", tylko w wyspecjalizowanych czasopismach. Bo sukcesem było to, że zaobserwowaliśmy niesamowite zjawisko. A teraz teoretycy niech się biedzą, jak je szczegółowo wyjaśnić.