OGLE: wielki polski program obserwacji nieba i jego odkrycia

Wojciech Brzeziński: Rozmawiamy w zabytkowym gmachu obserwatorium przy warszawskich Alejach Ujazdowskich. Na jego szczycie są dwie charakterystyczne kopuły. Dzisiaj stanowią one już tylko symbol?

Prof. Andrzej Udalski: To piękne obserwatorium powstało dwieście lat temu. Zresztą wówczas astronomowie też nie byli zachwyceni lokalizacją, pierwotnie obserwatorium miało stanąć na Polu Mokotowskim. Ale dziś w Warszawie jest tak jasno, że ani w jednym, ani w drugim miejscu nie da się prowadzić obserwacji. Mamy obserwatorium uniwersyteckie pod Warszawą, gdzie pewne obserwacje są prowadzone i gdzie budujemy instrumenty, ale po naprawdę poważne obserwacje musimy udawać się, jak to nazywam, na trzecią półkulę, czyli na pustynię Atacama w Chile.

Jakie jest nocne niebo nad Atacamą?

Kiedy tylko mam okazję, wybieram się tam na nocne spacery. Niebo jest przepiękne. Doskonale obrazuje to, jakim maleńkim pyłkiem we Wszechświecie jest Ziemia. Cała okolica sprawia wrażenie tak dzikiej, jak w czasach pierwszych odkrywców, choć oczywiście to nie jest prawda. Jesteśmy tam otoczeni najnowocześniejszymi urządzeniami naukowymi na świecie.

To paradoks astronomii – żadna inna nauka nie pogłębiła tak bardzo naszego zrozumienia rzeczywistości, chyba żadna inna nie posługuje się tak zaawansowanymi technologiami, a jednocześnie musicie stale uciekać przed cywilizacją.

Tak, na szczęście mamy jeszcze miejsca, w których można prowadzić obserwacje w spokoju.

Niedawno swoje 32. urodziny miał program OGLE, którym Pan kieruje. To jeden z najdłużej funkcjonujących programów badawczych w polskiej nauce.

W historii polskiej nauki chyba jesteśmy najdłużej działającym, aktywnym programem – i co ważniejsze, programem, który ciągle przynosi nowe odkrycia. Jesteśmy też, nie chwaląc się, programem mocno pionierskim w skali światowej.

O co w nim chodzi?

Na początku, 30 lat temu, w Warszawie mieliśmy wielu astronomów, którzy mieli doświadczenie zarówno teoretyczne, jak i obserwacyjne. Prowadziliśmy też w tym naszym lokalnym Ostrowiku obserwacje, ale jak już mówiłem, ze względu na niezbyt dobrą pogodę w Polsce super ambitnych programów nie da się realizować. Jednocześnie prowadziliśmy także prace nad nowymi instrumentami – walka z pogodą powodowała, że wymyślaliśmy różne nowe narzędzia. Mieliśmy w tym sporo doświadczenia, i gdy nastąpił przełom początku lat 90., gdy świat się otworzył, można było pomyśleć o organizacji czegoś większego.

Główna idea naukowa opierała się na czymś, co zaproponował jeszcze w połowie lat 80. profesor Bohdan Paczyński, jeden z najwybitniejszych astrofizyków światowych XX w., który studiował tu na Uniwersytecie Warszawskim, później pracował w PAN-ie, a następnie był profesorem na Uniwersytecie w Princeton. On w swoich pracach zaproponował takie specyficzne zjawiska wynikające z ogólnej teorii względności – zjawiska mikrosoczewkowania grawitacyjnego – jako narzędzie do badania bardzo różnych problemów astrofizycznych.

Na czym polega mikrosoczewkowanie?

Jeśli obiekt, który jest obdarzony masą – a każdy obiekt jakąś masę ma – znajdzie się na linii widzenia między nami a odległym źródłem światła, to potrafi zogniskować światło tego odległego źródła, w związku z czym do obserwatora dociera więcej promieni i ten obiekt chwilowo staje się jaśniejszy. Chwilowo, bo wszystko się porusza, więc to ustawienie trzech ciał w jednej linii się zmienia i po jakimś czasie to wzmocnienie zanika. Zastosowania od razu były oczywiste, ponieważ ta soczewka grawitacyjna może nie świecić, tylko musi mieć masę.

Tymczasem jednym z takich najciekawszych problemów astrofizycznych, do dzisiaj zresztą, jest badanie tzw. ciemnej materii. Profesor Paczyński zaproponował, żeby te zjawiska mikrosoczewkowania wykorzystać do stwierdzenia, czy ciemna materia istnieje. To było w połowie lat 80. prawie science fiction. Zjawiska mikrosoczewkowania były przewidziane jeszcze przez Einsteina, ale on sam stwierdził, że to są czysto teoretyczne rozważania, że nikt nigdy takich zjawisk nie odkryje. No i tu się mylił, bo właśnie dzięki ideom profesora Paczyńskiego powstał np. projekt OGLE – polskie rozwinięcie tego skrótu to: Eksperyment Soczewkowania Grawitacyjnego – i już na początku lat 90. na tyle technologicznie udało się nam opanować sposoby obserwacji, że wystartowaliśmy.

Co podglądaliście?

Pomysł był taki, żebyśmy patrzyli na sąsiednie galaktyki – Obłoki Magellana – ale też w kierunku centrum naszej galaktyki, gdzie jest dużo gwiazd, i szukali charakterystycznych zmian, które mogłyby być wywołane mikrosoczewkowaniem grawitacyjnym. Pierwszym celem było udowodnienie, że te zjawiska istnieją i nie są czysto teoretycznym wymysłem – i to się udało bardzo szybko, bo już po roku.

To było takie pierwsze, rzeczywiście znaczące, bardzo głośne odkrycie projektu OGLE. A ponieważ same zjawiska mikrosoczewkowania mogą trwać nawet wiele miesięcy, więc żeby je zarejestrować, trzeba prowadzić długie, najlepiej wielokrotne kampanie obserwacyjne. Więc było dość oczywistym, że oprócz samych tych mikrosoczewek będziemy rejestrować miliony gwiazd, które będą w ciągu tych miesięcy zmieniać swoją jasność. W związku z czym będziemy mieli taką żyłę złota, w której będzie można weryfikować wiele innych pomysłów naukowych, zwłaszcza że do lat 90. nigdy nie obserwowano milionów gwiazd przez długi czas po to właśnie, żeby stwierdzić, jak one się zmieniają. W zasadzie w tych pierwszych latach było tak, że gdzie nie sięgnęliśmy, to zawsze było coś nowego, ciekawego.

A z projektu skoncentrowanego na mikrosoczewkowaniu staliśmy się wielkoskalowym przeglądem nieba. Obecnie obserwujemy regularnie dwa miliardy gwiazd. A gdy zaczynaliśmy, szczytem możliwości były dwa miliony. To też jest miara postępu technologicznego, jaki nastąpił w ciągu ostatnich 30 lat.

Jak się zmieniła astronomia w ciągu tych trzech dekad? Co wiemy dzisiaj, czego nie widzieliśmy wtedy?

Zmieniła się ogromnie. Przede wszystkim powstały nowe urządzenia badawcze, wielkie teleskopy nowszej generacji, które doprowadziły do wielu przełomów. Rozwinęła się astronomia w innych zakresach badań, głównie dzięki badaniom satelitarnym. Chodzi o te zakresy promieniowania, które z Ziemi są niedostępne, bo atmosfera nas chroni np. przed promieniowaniem rentgenowskim czy promieniowaniem gamma. W ostatnich latach udaje nam się obserwować niebo w tych zakresach dzięki kolejnym misjom. Dzięki temu nasze obserwacje są dużo bardziej kompleksowe.

Z kolei w ostatnich dziesięciu latach rozwinęła się zupełnie nowa dziedzina badań fal grawitacyjnych, które są jeszcze innym nośnikiem informacji o Wszechświecie. Ta dziedzina jest jeszcze we wstępnym stadium rozwoju, ale przynosi coraz więcej wyników, a jej perspektywy są bardzo ciekawe. Z naukowego punktu widzenia nastąpiło wiele ciekawych odkryć, choćby dowiedzieliśmy się o przyspieszeniu rozszerzania się Wszechświata.

Ale zagadek nie ubywa! Przeciwnie – wydaje się, że im więcej wiemy, tym więcej znaków zapytania.

To jest typowe w nauce. Tak też było z mikrosoczewkowaniem. Wydawało się nam, że jak odkryjemy pierwsze takie zjawiska, jak uda nam się odkryć ich sto, to będziemy już wiedzieli bardzo, bardzo dużo. Okazało się, że jeszcze lepiej by było, gdybyśmy mieli tysiąc, a potem jeszcze więcej. Dzisiaj tych zjawisk w sumie odkryliśmy już ponad 25 tysięcy, ale wciąż nie mamy o nich pełnej wiedzy. Są jednak wykorzystywane nie tylko do poszukiwania ciemnej materii, ale też np. do odkrywania planet. I tu też przez te lata mieliśmy wiele ciekawych odkryć.

Co dla Pana byłoby takimi największymi, najważniejszymi zagadkami, które w tym momencie są do wyjaśnienia? Na co chciałby Pan być w stanie odpowiedzieć jutro?

Jednym z takich tematów na pewno jest problem ciemnej materii. Druga jest zagadka ciemnej energii, choć jest to problem troszeczkę szerszy, podczas gdy wpływ ciemnej materii wykrywamy nawet w naszej galaktyce. Pod koniec czerwca opublikowaliśmy podsumowanie dwudziestu lat naszych badań. Pokazują one, że cały czas nie wiemy, czym jest ciemna materia. Niestety wykluczamy najbardziej nośne obecnie hipotezy, czyli czarne dziury odkrywane przez fale grawitacyjne, które mogłyby stanowić ciemną materię. To powrót do punktu wyjścia – cały czas nie wiadomo, czym ta ciemna materia jest. Widać, że ona oddziałuje grawitacyjnie, mamy sygnały, że istnieje, natomiast z pewnością nie są to takie ciała, do których byśmy byli przyzwyczajeni.

A jakie wyjaśnienie ciemnej materii wydaje się Panu najbardziej prawdopodobne? Mówi się o rozmaitych cząstkach, które miałyby ją tworzyć: aksjonach, WIMP-ach, neutrinach…

W to zupełnie nie wierzę. Bardzo liczyliśmy, że to zwykła, klasyczna, nieświecąca materia. Tu pewnie przebija się lekkie rozczarowanie, bo równolegle z naszym projektem rozpoczynały się projekty poszukiwania supernowych, które doprowadziły do odkrycia ciemnej energii, czyli czegoś, co działa odwrotnie do grawitacji i powoduje, że galaktyki oddalają się od siebie coraz szybciej. Za to przyznano w 2011 r. Nagrodę Nobla. Myśmy szukali ciemnej materii, ale niestety tutaj akurat natura okazała się przewrotna. Gdyby ciemna materia była złożona z materii klasycznej, to zapewne jakiś badacz zajmujący się mikrosoczewkowaniem Nobla by też dostał.

Ale i tak osiągnięć macie mnóstwo. Bardzo dużo zrobiliście, jeśli idzie o odkrywanie planet pozasłonecznych. W tej dziedzinie wspaniałe odkrycia pojawiły się w projekcie OGLE już wiele lat temu.

Byliśmy pionierami zastosowania dwóch technik odkrywania planet pozasłonecznych. Jedna z tych technik jest związana z mikrosoczewkowaniem.

Jeśli ten obiekt obdarzony masą, który soczewkuje nam światło odległej gwiazdy, ma wokół siebie planetę, to może się tak ustawić, że ta planeta będzie wywoływała dodatkowe efekty soczewkowania i wtedy widzimy zaburzenie zmienności jasności, z którego można odtworzyć potem, jak wyglądał ten układ planetarny. I w ten sposób już w 2003 r. odkryliśmy pierwszą mikrosoczewkową planetę pozasłoneczną. Do dziś tą metodą odkryto około 200 planet. To nie jest wielka liczba, ale ciekawe jest to, że te planety znajdują się od swoich słońc w takich odległościach, w których inne techniki nie są w stanie ich wykrywać. A z kolei te właśnie odległości są kluczowe do poznawania ewolucji układów planetarnych, bo to są mniej więcej takie odległości jak dystans między Słońcem a Jowiszem czy Saturnem. W tych rejonach, gdzie jest odpowiednio zimno, najprawdopodobniej powstają planety, w związku z czym te badania dużo wnoszą do samej teorii powstawania układów planetarnych.

Oprócz tego mikrosoczewkowaniem kilka lat temu odkryliśmy zupełnie nową kategorię planet pozasłonecznych – czyli planety swobodne. Są to planety wystrzelone ze swoich macierzystych układów, np. wskutek bliskiego spotkania z sąsiednią gwiazdą. One potem sobie po prostu wędrują po Drodze Mlecznej. Nie świecą w zasadzie, ale mogą przejść między nami a odległą gwiazdą, wywołać zjawisko mikrosoczewkowania i stąd wiemy, że one istnieją i że jest ich dużo.

A druga technika?

To metoda tak zwanych tranzytów, czyli czegoś w rodzaju zaćmień, takich jak te, które na Ziemi obserwujemy, kiedy Księżyc czy planeta wewnętrzna, taka jak Wenus, przechodzi przed tarczą Słońca. Tak samo planeta pozasłoneczna może przejść na tle tarczy swojej gwiazdy. To sprawia, że ona zasłania nieco jej światło, w związku z czym mamy takie mikrozaćmienie, które można fotometrycznie zmierzyć. Ono się powtarza zgodnie z okresem orbitalnym, więc na podstawie tych badań możemy scharakteryzować taki układ planetarny.

Tutaj byliśmy zupełnymi pionierami, od znalezienia przez nas pierwszego takiego układu w 2001 r. do 2006 r. 80 proc. wszystkich znanych planet tranzytujących to były planety z naszego projektu. A później tę samą technikę zaczęły wykorzystywać misje satelitarne, m.in. misja Kepler, TESS i inne. Fotometria jest dużo precyzyjniejsza poza atmosferą ziemską, więc dziś to właśnie planet tranzytujących znamy najwięcej, bo około 5 tys. Mamy satysfakcję, że pierwsze pochodziły z projektu OGLE.

Chciałbym wrócić do czegoś, o czym wspomniał Pan na początku. Mówił Pan, że tutaj, w warszawskim Obserwatorium, budujecie w dalszym ciągu własne instrumenty ze studentami. Dzisiaj można być astronomem i nie patrzeć w ogóle w niebo, nie zbliżać się do żadnego teleskopu – tylko analizując dane, które spływają z drugiej połowy świata na komputerze. Jak ważne jest to, żeby jednak mieć fizyczny kontakt z tymi instrumentami? Jak ważne jest to, żeby wyjść w nocy na Atacamę i spojrzeć do góry?

Jestem tradycjonalistą, więc uważam, że duże znaczenie ma to, żeby po pierwsze wiedzieć, jak instrument działa, po drugie mieć pojęcie, co się obserwuje. Rzeczywiście dziś większość obserwacji jest prowadzona w sposób zdalny. Obserwatorzy siedzą przy monitorach oddalonych o tysiące kilometrów od obserwatorium. Patrzą na cyferki, które spływają z instrumentów, a czasami nawet nie patrzą, bo robią to asystenci nocni, którzy zbierają dane.

To nieuniknione, bo mamy tyle obserwatoriów i misji kosmicznych, że trudno sobie wyobrazić, by naukowiec próbował samodzielnie prowadzić obserwacje. Same instrumenty są często tak skomplikowane, że tylko fachowcy mogą je obsługiwać. Ale ważne jest, by mieć świadomość tego, jak te dane powstają, jakie mogą być błędy – bo nie ma bezbłędnych instrumentów. Jeśli ktoś nie ma tego wyczucia, w interpretacjach mogą zdarzać się różne rzeczy.

Kiedy obserwujecie 2 miliardy gwiazd jednocześnie, to trudno, żeby astronom był na ty z każdą z nich.

Oczywiście komputery to obsługują. Mamy oprogramowanie, które potrafi wyciągać rzeczy, które natychmiast wymagają sprawdzenia, i wtedy można zareagować, np. zmienić program obserwacji. W naszym obserwatorium w Chile w zasadzie zawsze jest osoba, która prowadzi obserwacje. To dobre doświadczenie zwłaszcza dla młodych ludzi, bo to po pierwsze kontakt z niebem, a po drugie z instrumentami, a nie tylko z samą interpretacją danych.

Te spacery po Atacamie to jest też sposób na wyrwanie się z tej astronomii sprzed monitora?

Zdecydowanie tak. To cały czas duża przyjemność, mimo że tych nocy i tych wycieczek do Chile miałem dużo w życiu.

Dokąd zmierza dziś astronomia?

Jestem ostrożny w przewidywaniach, bo i technologie, i sposoby analizy danych tak szybko się zmieniają. Natomiast można powiedzieć, że na pewno będą rozwijane nowe technologie prowadzenia obserwacji, jakich do tej pory nie było i które są dziewiczymi polami, czyli astronomia fal grawitacyjnych. To, co się udało dotąd zarejestrować, to jest bardzo wąski wycinek tego, co nas czeka. Te technologie pozwolą zaglądać tam, gdzie za pomocą zwykłych fal elektromagnetycznych nie mamy dostępu. Wszechświat możemy obserwować do pewnej granicy. Do punktu, w którym fale elektromagnetyczne przestały być pochłaniane, co miało miejsce około 300 tysięcy lat po Wielkim Wybuchu. To, co zdarzyło się wcześniej, to jest terra incognita. Być może fale grawitacyjne pozwolą nam zajrzeć w te nieznane miejsca.

Program OGLE ma 32 lata. Jak długo jeszcze będzie działał?

Tak długo, jak tylko będziemy konkurencyjni i będziemy mieli nowe, ciekawe pomysły. Najfajniejsze jest odkrywanie czegoś nowego, a sądzę, że przed nami jest jeszcze wiele takich rzeczy. Aczkolwiek na pewno jest dużo trudniej niż w tych latach 90., gdzie w zasadzie wszystko było nowe i niezwykle ciekawe. 

PROF. ANDRZEJ UDALSKI jest astronomem, pracuje na Uniwersytecie Warszawskim. Od ponad 30 lat kieruje OGLE, wielkim programem obserwacji nieba, w ramach którego astronomowie stale obserwują setki milionów gwiazd. W maju tego roku wraz z prof. Joachimem Wambsganssem został laureatem prestiżowej polsko-niemieckiej Nagrody Copernicus za dokonania w dziedzinie tropienia planet pozasłonecznych.