Waga gwiazd

Gwiazdy nie tylko można obserwować, ale także ważyć. Mało kto to potrafi. Specjalistą w tej dziedzinie jest prof. Grzegorz Pietrzyński, astronom z Uniwersytetu Warszawskiego, który obecnie przebywa na obserwacjach w Chile. Zważył on ostatnio jedną z ważnych gwiazd - cefeidę OGLE-LMC-CEP0227. Jej masę określił z rekordową dokładnością: do 1 procenta.

Prof. Grzegorz Pietrzyński: To gwiazdy, które pulsują - regularnie zmieniają swoje rozmiary. Zachowują się trochę jak wahadło:

są wytrącone ze stanu równowagi i cyklicznie robią się większe, a potem mniejsze. Trwa to od kilku do kilkuset dni. Są znacznie większe i znacznie masywniejsze od Słońca, od kilku do kilkudziesięciu razy. Ich ewolucja jest natomiast znacznie szybsza, prędzej umierają. Jak żartujemy w środowisku astronomów - otyli żyją krócej.

Niektóre z nich widać gołym okiem na niebie.

Tak, jest kilka takich cefeid. Najlepszym przykładem jest Gwiazda Polarna. Kilka podobnych gwiazd jest też w pobliżu Słońca. My obserwowaliśmy gwiazdy w tzw. Wielkim Obłoku Magellana, czyli jednej z pobliskich galaktyk. Ich nie można zobaczyć gołym okiem, ale już dobra lornetka wystarczy. Znamy około 50 tys. cefeid, ale wbrew pozorom są one dosyć rzadkie; np. w  Obłoku Magellana obserwowaliśmy ok. 4 mln gwiazd, z czego zaledwie około tysiąca to cefeidy.

Te gwiazdy to nie tylko ciekawostka, to także źródło informacji o wszechświecie?

Tak, to właśnie dzięki nim zmierzono odległości we wszechświecie. Już ponad sto lat temu odkryto, że jest związek między okresem pulsacji, czyli zmianą promienia i temperatury takiej gwiazdy, a jej tzw. jasnością absolutną. Czyli wystarczy poobserwować kilkanaście cefeid w danej galaktyce i zmierzyć ich okresy; dzięki temu dowiadujemy się, jaka jest ich jasność absolutna. Potem możemy porównać zależność okres/jasność w jednej galaktyce i w drugiej; przesunięcie między tymi zależnościami mówi nam o różnicy odległości między tymi galaktykami. W naszych kosmicznych obliczeniach jako punkt zerowy przyjmuje się

właśnie odległość do Wielkiego Obłoku Magellana i na tej podstawie oblicza dystans między poszczególnymi galaktykami.

Gwiazda, którą Pan badał, też znajduje się w Wielkim Obłoku Magellana. To daleko?

50 kiloparseków, czyli niecałe 170 tysięcy lat świetlnych od nas.

Jak się waży gwiazdy?

To bardzo proste! Prawo Keplera pozwala dokładnie ważyć układ dwóch ciał związanych ze sobą grawitacyjnie, czyli takich jak np. Ziemia i Księżyc, które przyciągają się i okrążają. Jeśli znamy pewne podstawowe parametry, to wystarczy przeprowadzić kilka prostych obliczeń wynikających z prawa grawitacji Newtona.

Ile więc ważyła ta gwiazda?

Jest 4,2 raza masywniejsza od Słońca.

Kluczowym odkryciem była dokładność pomiaru. Do tej pory margines błędu przy ważeniu takich gwiazd wynosił od 15 do 30 proc. Pan osiągnął rekordową dokładność do 1 proc. To tak jakby ważącego sto kilogramów człowieka zważyć z dokładnością do kilograma, a nie dwudziestu. Na czym polegał przełom?

Na odkryciu tego, a nie innego układu dwóch gwiazd. Cefeidy same w sobie występują dość rzadko, a już zaobserwowanie układu podwójnego, czyli takiego, gdzie cefeida okrąża - z wzajemnością - inną gwiazdę, jest niesłychanie rzadkie. Prawdopodobieństwo jest bliskie zeru.

Sukces polegał chyba na cierpliwości. Od 14 lat, każdej nocy obserwujemy kilka milionów gwiazd w Obłoku Magellana, a na całym niebie około dwustu milionów. Dzięki temu czasami udaje nam się odkryć rzadki układ. A skoro mieliśmy już kandydatkę, to otrzymaliśmy czas na najlepszych teleskopach świata.

Jakie to teleskopy?

Sam układ został odkryty dzięki teleskopowi Obserwatorium Astronomicznego Uniwersytetu Warszawskiego, który stoi w Obserwatorium Las Campanas w Andach, w Chile. Ma średnicę 1,3 metra. Dodatkowe obserwacje, niezbędne do zważenia gwiazdy, uzyskaliśmy dzięki teleskopowi Magellan o średnicy 6,5 metra z tego samego obserwatorium oraz dzięki teleskopowi 3,5 metra, który znajduje się nieopodal, w obserwatorium La Silla.

Rekordowo dokładny pomiar, publikacja w "Nature" - to świetnie brzmiące osiągnięcia. Ale do czego posłużą?

Są dwie teorie pomiarów mas i wielkości cefeid. Pierwsza - ta, którą wykorzystaliśmy - opiera się na ich pulsacji. Druga dotyczy ich ewolucji: dana gwiazda, będąca w takim, a nie innym okresie swojego życia, powinna - zgodnie z teoretycznym modelem - ważyć tyle i tyle. Problem z cefeidami polegał na tym, że każda z tych teorii dawała inne wyniki i różnice były bardzo duże.

Teraz wiadomo, że teoria pulsacji - górą?

Na to wygląda. Zapewne teraz teoretycy będą starali się wyjaśnić, na czym polega niedokładność modeli ewolucyjnych, które przewidują masy o 10 do 20 proc. większe, niż wynikało to z naszych obliczeń. Są już pewne pomysły - być może gwiazda, która staje się cefeidą, traci po drodze część masy, może są inne, wewnętrzne procesy. Ale nad tym trzeba jeszcze popracować. Na pewno nasz pomiar pozwoli na małą rewolucję w badaniach gwiazd, bo teraz przewidywania modeli jest z czym porównywać - właśnie z naszymi pomiarami.

Co jeszcze zostało do odkrycia w gwiazdach?

Ja najwięcej czasu poświęcam obliczaniu odległości we wszechświecie i chciałbym z dużo większą dokładnością poznać te dystanse, żebyśmy mogli precyzyjniej określić, jaki był początek wszechświata, jak on ewoluował, jaki będzie jego koniec. Są też inne pulsujące gwiazdy, podobne do cefeid, których na razie nie zważono. Więc to jest też kolejne wyzwanie.

Mało kto na świecie rozumie w pełni astronomiczne zagadnienia, jak powstanie czasu czy przestrzeni. Ostatnio znany brytyjski fizyk i matematyk Roger Penrose sugerował, że w tzw. promieniowaniu tła widoczne są ślady zdarzeń sprzed początku czasu, czyli sprzed Wielkiego Wybuchu. Tych rzeczy chyba nie rozumie prawie nikt. Mnie w każdym razie się w głowie kręci...

Jeśli są teorie, które pojmuje tylko garstka ludzi, to być może nie są to najlepsze teorie. Dobra teoria powinna być przejrzysta. Jeśli daną hipotezę rozumie tylko twórca, to chyba coś jest z nią nie w porządku. Inna rzecz, że faktycznie sporo jest jeszcze do wyjaśnienia, czekamy np. na kwantową teorię grawitacji, która pomoże nam lepiej opisać wszechświat.

A koniec wszechświata? Obowiązująca teoria głosi, że będzie się on rozszerzał w nieskończoność, materia razem z nim, nawet czarne dziury wyparują i wszechświat będzie ciemnym, chłodnym i pustym miejscem. Taki scenariusz może wpędzać, zwłaszcza w długie zimowe wieczory, w stany depresyjne...

Być może, ale ja byłbym ostrożny. Taki jest faktycznie nasz stan wiedzy, ale istnieje wiele czynników, których jeszcze nie znamy, np. ciemna materia czy ciemna energia. Zostały one wymyślone, żeby wyjaśnić obserwacje, ale przecież nie wiemy, czym są, z czego się składają. Najpierw trzeba to określić, a potem dopiero z dużą pewnością przewidywać, jakie będą losy wszechświata.

Niektórzy naukowcy, zamiast martwić się smutnym końcem świata, pełni optymizmu szukają życia poza Ziemią. Dzisiaj chyba szanse na znalezienie takich form życia są większe niż kiedykolwiek: odkrywamy coraz to nowe planety pozasłoneczne; ostatnio naukowcy z NASA natknęli się na bakterie, które mogą trawić arsen - truciznę dla innych organizmów. To poszerza spektrum życia. Jest Pan optymistą, jeśli chodzi o poszukiwania Obcych?

Chyba tak... Faktycznie w ostatnim czasie nastąpił przełom - odkrywamy coraz więcej egzoplanet. Z drugiej strony, nasza wiedza jest nadal dosyć uboga i pewnie jeszcze trochę poczekamy. Jeśli natomiast chodzi o te bakterie, to arsen czy nie, ale są to formy życia oparte na węglu, tak jak wszystkie inne ziemskie formy życia. Więc nie wyciągałbym zbyt daleko idących wniosków. Myślę, że przed nami jeszcze daleka droga, choć przełomów w nauce nie da się

przewidzieć. Więc pozostaję optymistą.

Na jakie odkrycie czeka Pan najbardziej?

Chciałbym się dowiedzieć, co to jest ciemna energia; żeby ktoś przekonująco dowiódł, iż takie coś istnieje i z czego się składa. Ogromne nadzieje wiążę z Wielkim Zderzaczem Hadronów, który może wiele wyjaśnić.

W Święta ludzie częściej patrzą w niebo. Jedni szukają pierwszej gwiazdy, by rozpocząć Wigilię, inni wypatrują Gwiazdy Betlejemskiej... Czy Pan też jakoś inaczej patrzy w górę, zwłaszcza z odległego Chile?

Jestem przyzwyczajony do naszych tradycyjnych Świąt, więc na ten okres wracam do Polski. Tutaj, w Chile, ludzie w Boże Narodzenie siedzą na plaży, świeci gorące słońce. Ale chciałbym zachęcić czytelników do wykorzystania tego momentu, zwłaszcza gdy nie ma chmur, do spojrzenia w gwiazdy i do wyciągnięcia własnych wniosków na temat wszechświata.

RAFAŁ MOTRIUK jest korespondentem naukowym Polskiego Radia i stałym współpracownikiem "TP".