Dowód na istnienie

ALEKSANDRA KOZŁOWSKA: Jakie to uczucie dla astrofizyka: zobaczyć na zdjęciu czarną dziurę?

DR MONIKA MOŚCIBRODZKA: Właściwie czarnej dziury nie można zobaczyć, ponieważ pochłania światło, jest kompletnie czarna. To, co widzimy na słynnym zdjęciu, to cień czarnej dziury, który pada na przyciąganą przez nią świecącą materię.

Ale co poczułam, gdy w ubiegłym roku w czerwcu po raz pierwszy zobaczyłam ją na ekranie mojego laptopa? Na pewno poruszenie i euforię.

To był ten moment, kiedy krzyczy się: „Eureka!”. Poczułam też wzruszenie, że ten eksperyment się udał, że zdjęcie pokazuje dokładnie to, czego się spodziewaliśmy. Przedtem mieliśmy jedynie modele teoretyczne, symulacje komputerowe czy wizje artystyczne czarnych dziur. Teraz, po raz pierwszy w historii nauki, mamy prawdziwe zdjęcie. Był to więc także moment triumfu, że lata pracy, również mojej, doprowadziły do czegoś tak spektakularnego w astrofizyce.

Dowód na istnienie?

W tej chwili to najmocniejszy, najbardziej bezpośredni argument na istnienie czarnych dziur.

Przez lata było to pojęcie abstrakcyjne, bardzo szczególne rozwiązanie równań teorii względności Einsteina. A my przeprowadziliśmy fizyczny eksperyment i zaobserwowaliśmy taki obiekt, mamy więc coś namacalnego. Ten konkretny obiekt jest zresztą dość szczególny – to supermasywna czarna dziura (o masie 6,5 mld mas Słońca) znajdująca się w centrum galaktyki M87. Sam cień czarnej dziury jest około 2,5 razy większy niż horyzont zdarzeń – sfera otaczająca czarną dziurę – który mierzy mniej więcej 40 mld kilometrów.Nasze obserwacje pozwalają też na inne niż dotąd testowanie i zrozumienie teorii grawitacji. Również dlatego to przełomowe wydarzenie.

W projekcie Event Horizon Telescope (Teleskop Horyzontu Zdarzeń, ang. skrót EHT) pracowało ponad 200 naukowców ze wszystkich kontynentów. EHT łączy radioteleskopy z różnych miejsc na świecie, takich jak: pustynia Atakama w Chile, góry w Arizonie i Sierra Nevada w Hiszpanii, wulkany na Hawajach i w Meksyku. Nawet Antarktyda...

Wszystko po to, by utworzyć wirtualny teleskop o wielkości naszej planety. Ta technika obserwacji nosi nazwę interferometrii wielkobazowej (VLBI, ang. Very Long Baseline Interferometry). Teleskop Horyzontu Zdarzeń ma ogromną moc rozdzielczą. Taka rozdzielczość pozwoliłaby osobie stojącej w Brukseli, na odczytanie tekstu gazety znajdującej się w Nowym Jorku.

Obserwacje w 2017 r. trwały od 5 do 11 kwietnia. Każdy element teleskopu działa niezależnie. Podczas tych obserwacji dane są zapisywane na twardych dyskach. Jest ich tak dużo (w sumie 3,5 petabajta), że muszą być przetransportowane samolotem do naukowców, którzy je analizują. Dane z teleskopu na Antarktydzie musiały czekać aż na koniec tamtejszej zimy, żeby do nas dotrzeć.

Po pierwszej obróbce, odfiltrowaniu szumów i zakłóceń, dane trafiają w ręce naukowców, którzy zajmują się rekonstrukcją obrazu, oraz do astrofizyków teoretyków, którzy te dane modelują. Modelowanie uwzględnia fizykę zakrzywionej czasoprzestrzeni, zachowanie się materii oraz pola magnetycznego w warunkach silnej grawitacji. W ten sposób naukowcy próbują odgadnąć, co na takim obrazie jest i dlaczego obiekt wygląda właśnie tak, jak wygląda.

Jak znalazła się Pani w zespole ­pracującym nad tym projektem?

Nad ogólną teorią względności oraz tzw. astrofizyką wysokich energii zaczęłam pracować ponad dziesięć lat temu, jeszcze w Polsce. Napisałam o tym doktorat. Będąc ekspertem w tej dziedzinie, zostałam zaproszona do współpracy w ramach grantu European Research Council na projekt BlackHoleCam. Dwa lata temu uformowała się międzykontynentalna współpraca EHT, której BlackHoleCam jest częścią. Dołączenie do tego zespołu to dla mnie ukoronowanie kariery naukowej.

Przejdźmy do naszej bohaterki – czarnej dziury. Co to takiego właściwie?

Czarna dziura to obiekt, który powstaje po zapadnięciu się dużej ilości materii, np. gwiazdy. Zapada się dosłownie do punktu, czyli nieskończenie małego obszaru. W nieskończenie małym obszarze gęstość materii jest nieskończenie wielka. Nazywa się go punktem osobliwości, ponieważ załamują się tam wszystkie znane nam prawa fizyki. Osobliwość otoczona jest tzw. horyzontem zdarzeń, czyli powierzchnią, z której prędkość ucieczki jest równa prędkości światła. Horyzont można porównać do błony, która przepuszcza wszystko, także światło, tylko w jedną stronę, a więc nie możemy zobaczyć tej osobliwości w środku.

Z punktu widzenia astrofizyki na pewno jedną z najistotniejszych właściwości czarnych dziur jest to, że mogą się one obracać, podobnie jak Ziemia. Gdy czarna dziura rotuje, ciągnie za sobą czasoprzestrzeń wokół siebie. A więc i czasoprzestrzeń obraca się wokół tych obiektów – wszystko inne również musi. To niesamowita właściwość tych obiektów – energia związana z ich rotacją może być ogromna.

W przypadku zobrazowanej przez nas czarnej dziury w galaktyce M87 energia ta jest co najmniej bilion razy większa niż ta, którą emituje nasze Słońce, i jest widoczna jako strumienie cząstek wylatujące hen daleko poza galaktykę M87. A przecież ta czarna dziura jest dość mała w stosunku do całej galaktyki, jest zaledwie dwa-trzy razy większa niż nasz Układ Słoneczny. Energia związana z rotacją czarnej dziury w M87 nie dociera jednak do Ziemi – jest za daleko, dzieli nas odległość 55 mln lat świetlnych. Ale mamy nadzieję, że obrazy z horyzontu zdarzeń pozwolą nam chociaż dokładnie zrozumieć, jak ta energia jest generowana.

Nad czym będzie Pani teraz wraz z zespołem pracować?

Dane, jakie uzyskaliśmy z obserwacji EHT, są cały czas analizowane. Jeden z następnych kroków w tym projekcie to zobrazowanie czarnej dziury znajdującej się w centrum naszej własnej galaktyki. Dane do zobrazowania tego obiektu są; w 2017 r. Teleskop Horyzontu Zdarzeń obserwował także centrum naszej galaktyki. Drugi kierunek to jest zrobienie, zamiast statycznego zdjęcia, filmu z czarną dziurą. Film pokaże dynamikę tego, co się dzieje wokół horyzontu. Technologicznie jest to możliwe.

Stephen Hawking twierdził, że czarne dziury promieniują – choć bardzo słabo – co oznacza, że można jednak z tego obiektu, a przynajmniej horyzontu zdarzeń, „uciec”. Podobnie jak jedna z wirtualnych cząstek, tworzących parę cząstka-antycząstka. Jedna z nich wpada do czarnej dziury, druga opuszcza obszar jej promieniowania, unosząc pewną energię i masę. Z kolei zasada holograficzna Gerardusa ’t Hoofta i Leonarda Susskinda głosi, że horyzont zdarzeń składa się tylko i wyłącznie z informacji na temat tego, co do czarnej dziury „wpadło”. A więc na kosmos można by spojrzeć jak na wielką bibliotekę lub bazę danych. Czy taka teoria jest Pani bliska?

Cały problem z tymi, skądinąd bardzo ciekawymi, teoriami jest taki, że duża ich część nie ma zbyt klarownych przewidywań obserwacyjnych. Promieniowanie Hawkinga jest zbyt słabe – nawet gdyby istniało, nasz teleskop nie mógłby go zarejestrować. Zatem my, astronomowie, obecnie nie możemy tych teorii sprawdzić. Pozostają one w sferze hipotez.

Zastanawia się Pani, co znajduje się w środku czarnych dziur? Czy jest tam po prostu osobliwość, w której wszystko – cała materia – znika, jak uważa Roger Penrose? A może czarne dziury są swoistymi wielkimi wybuchami dla innych wszechświatów, jak twierdzi Lee Smolin? A może to tunele czasoprzestrzenne? Ma Pani swoją ulubioną hipotezę?

Myślę, że te idee są fascynujące, ale to raczej domena fizyków teoretyków albo wręcz filozofów. My, astronomowie i astrofizycy, jesteśmy raczej nastawieni na fakty, na to, co pokazują nam dane obserwacyjne. Nie możemy sprawdzić, co jest pod horyzontem zdarzeń, ale mogę potwierdzić, że obiekt, który widzimy na obrazie, raczej nie wygląda na tunel czasoprzestrzenny. Takie i podobne egzotyczne możliwości są opisane bardziej szczegółowo w publikacjach naukowych, które ukazały się 10 kwietnia razem z publikacją obrazu.

Chciałaby Pani wpaść do czarnej dziury? Gdyby to było możliwe i bezpieczne?

Nie. Z czarną dziurą jest podobnie jak ze śmiercią. Można byłoby jej doświadczyć, ale potem nie da się nikomu o tym opowiedzieć. Nie bez powodu użyliśmy określenia, że sfotografowaliśmy „jednokierunkowe drzwi poza nasz wszechświat”. Chyba więc podziękuję za taką wycieczkę bez powrotu, zostaję.

Obraz

Kiedy zaczęła się Pani fascynacja wszechświatem?

W dzieciństwie. Wtedy czytałam dużo książek popularnonaukowych, jako nastolatka przeczytałam całą „czarną” serię wydawnictwa Prószyński i S-ka. Miałam też teleskop i uwielbiałam obserwować cztery księżyce krążące wokół Jowisza. Mój ulubiony obiekt na niebie to Plejady. Są przepiękne.

Po maturze poszło szybko – ot, tak pomaszerowałam na Wydział Fizyki i zapisałam się na fizykę i astronomię. Nie miałam najmniejszych wątpliwości co do tej decyzji. Oboje z dr. Maćkiem Wielgusem z Black Hole Initiative, drugą osobą z Polski, która także pracuje przy projekcie EHT, robiliśmy doktoraty w Centrum Astronomicznym im. Mikołaja Kopernika PAN w Warszawie. Na Uniwersytecie Radbouda w Nijmegen jestem też wykładowcą. Wykładam fizykę i astrofizykę, ostatnio uczę o egzoplanetach – czyli planetach zaobserwowanych poza naszym układem słonecznym; jestem nimi zafascynowana. To fantastyczne, że znamy już około trzech tysięcy innych systemów planetarnych.

A co odpowie Pani tym, którzy wątpią w sens takich badań? Po co zajmować się odległymi czarnymi dziurami, skoro na Ziemi jest tyle problemów do rozwiązania: głód, wojny, ocieplenie klimatu?

W naukę podstawową warto inwestować. Nie zawsze wiadomo, jakie mogą wypływać z niej długoterminowe profity, ale historia pokazała już, że mogą być ogromne. Przychodzi mi tu na myśl klasyczny przykład: Albert Einstein i jego teoria grawitacji. Sto lat temu ktoś też mógł powiedział o tej teorii: po co nam to? A dziś tę teorię wykorzystuje się choćby przy pozycjonowaniu GPS – jeżeli nie włączy się poprawek z niej wynikających, GPS nie będzie działać prawidłowo.

Astronomia i inne nauki podstawowe popychają do przodu całą ludzkość. Rozwijają technologię, która może mieć zastosowanie np. w badaniach klimatu. Przykładów jest wiele. Tym, którzy zadają pytanie „po co to?”, polecam też wybrać się gdzieś, gdzie nie ma zanieczyszczenia światłem, i spojrzeć w niebo. Zobaczyć, jak wygląda nasza galaktyka, gwiazdy. Przecież my też jesteśmy częścią wszechświata.

Nie wypada go więc nie znać.

Właśnie. Mamy w sobie naszą odwieczną ludzką ciekawość. A poza tym smutne byłoby życie na Ziemi, gdyby wszyscy zajmowali się tylko ziemskimi problemami. ©

Obraz

MONIKA MOŚCIBRODZKA ukończyła astronomię w Centrum Astronomicznym im. Mikołaja Kopernika, tam też obroniła doktorat w 2008 r. W ramach stażu podoktorskiego pracowała na uniwersytetach w USA. Obecnie jest adiunktem na Uniwersytecie Radbouda w Nijmegen w Holandii. Bierze udział w projekcie Teleskop Horyzontu Zdarzeń, kieruje grupą zajmującą się analizą i interpretacją danych.