Ach, cóż to był za błysk

2 października 2008

ACH, CÓŻ TO BYŁ ZA BŁYSK / Lech Mankiewicz

Jak powstają czarne dziury? Polski detektor w Chile pierwszy zaobserwował narodziny jednej z nich.

Był ranek w środę 19 marca. Jadłem w pośpiechu śniadanie, poganiając zbierającą się do przedszkola córkę i jednocześnie myśląc o cotygodniowym wykładzie dla studentów. Kątem oka obserwowałem ekran komputera, na którym rytmicznie pojawiały się informacje z Chile od naszego detektora-robota Pi of the Sky o tym, co właśnie zamierza zrobić. Mniej więcej pół godziny wcześniej satelita Swift przesłał meldunek o wykryciu rozbłysku gamma. Miejsce wybuchu było widoczne z południowej półkuli, więc Pi of the Sky automatycznie skierował w tę stronę kamery.

Nagle zapiszczała komórka. Z początku nie zwróciłem na nią uwagi, za chwilę jednak ożyło okienko internetowego komunikatora. „Mamy ciekawą sytuację, wygląda na to, że przyszedł kolejny błysk” – pisała Kasia Małek, moja doktorantka w Centrum Fizyki Teoretycznej PAN. No cóż, i Kasia, i ja spieszyliśmy się na seminarium, poprosiliśmy więc Lecha Piotrowskiego z UW o uruchomienie automatycznej procedury do ściągania klatek ze zdjęciami wykonanymi w czasie obserwacji obu błysków i szybko pojechaliśmy do Centrum Fizyki Teoretycznej w alei Lotników.

Błyska – ale skąd?

W „Księdze dżungli” niedźwiedź Baloo uczył Mowgliego, że trzeba być zawsze czujnym i rozglądać się bacznie dokoła, bo najciekawsze rzeczy dzieją się niespodziewanie. Ta zasada pasuje jak ulał do poszukiwania rozbłysków gamma (Gamma Ray Bursts – GRB), tajemniczych eksplozji kosmicznych o budzącej respekt i lęk sile. Błyski gamma odkryto w latach 60., kiedy supermocarstwa próbowały wykrywać tajne eksplozje nuklearne przeciwnika i za pomocą satelitów poszukiwały krótkotrwałych impulsów promieniowania gamma. Szybko okazało się, że podejrzane impulsy zdarzają się nader często i nie mają nic wspólnego z działalnością człowieka.

Upłynęło jeszcze 30 lat, zanim kolejne generacje satelitów nauczyły się mierzyć dokładną pozycję rozbłysków na niebie i wiązać je z obserwacjami w różnych zakresach widma. Okazało się, że rozbłyskom gamma często towarzyszą poświaty optyczna i radiowa. Przy założeniu, że źródła rozbłysków promieniują z tą samą intensywnością we wszystkich kierunkach, z bilansu wyemitowanej energii wynikał niesamowity wniosek: w czasie trwającego kilkadziesiąt sekund zjawiska tajemnicze źródła wytwarzały więcej energii niż Słońce w ciągu całego życia!

Przez wiele lat uczeni spierali się, gdzie właściwie powstają rozbłyski gamma. Natężenie docierających impulsów promieniowania zdawało się świadczyć, że ich źródła leżą niezbyt daleko, być może w naszej galaktyce (natężenie promieniowania maleje w przybliżeniu jak kwadrat odległości od źródła). Dzięki dokładnym pomiarom satelitarnym wiemy, że rozbłyski gamma rozkładają się równomiernie na mapie nieba, a to świadczy, że nie powstają wewnątrz Drogi Mlecznej, która przecież nie ma symetrii sferycznej. Ostateczne rozstrzygnięcie przyniosły obserwacje widma promieniowania w zakresie optycznym: przesunięcie ku czerwieni charakterystycznych linii widmowych świadczy, że promieniowanie niektórych błysków dociera do nas z odległości miliardów lat świetlnych.

Polowanie na rozbłyski gamma trwa już od kilkudziesięciu lat, a my ciągle jesteśmy daleko od zrozumienia ich natury. Sądzimy, że przyczyną potężnych erupcji promieniowania jest zapadanie się masywnej gwiazdy w momencie powstawania czarnej dziury lub zderzenie gwiazd neutronowych. Do pełnego wyjaśnienia zagadki potrzebujemy jednak więcej danych obserwacyjnych. Z tego powodu naukowcy zbudowali system służący do polowania na błyski gamma na Ziemi i w przestrzeni kosmicznej – GRB Coordinate Network (GCN). Jest to sieć satelitów i obserwatoriów naziemnych, połączonych przez internet i wymieniających się informacjami na temat położenia odkrytych błysków.

Półkula pod obserwacją

Do poszukiwania poświat optycznych towarzyszących rozbłyskom gamma namówił nas w 2003 roku wybitny polski astrofizyk prof. Bohdan Paczyński z Princeton University. Kluczowa informacja o mechanizmie rozbłysków jest ukryta we własnościach promieniowania dochodzącego do nas tuż po wybuchu. Ponieważ nie wiadomo, w którym miejscu na niebie pojawi się następny rozbłysk, trzeba bez przerwy obserwować duży obszar nieba. W praktyce oznacza to wykorzystanie urządzeń o niewielkiej ogniskowej, które mogą zarejestrować błysk tylko w jego początkowej, najjaśniejszej fazie – ale o tę fazę właśnie chodzi! Ciągłe poszukiwanie nowych błysków oznacza konieczność analizowania i przetwarzania olbrzymiej ilości danych, zatem konieczne jest zbudowanie urządzenia, które będzie działało automatycznie i powiadamiało swoich opiekunów tylko wtedy, gdy zaobserwuje coś ciekawego.

Pomysł prof. Paczyńskiego, aby to właśnie w Polsce zbudować takie urządzenie, nie wziął się znikąd. Polska ma znakomite, światowej klasy osiągnięcia w dziedzinie astronomii opierającej się na automatycznym przetwarzaniu danych. Najbardziej znanym projektem jest OGLE (Optical Gravitational Lensing Experiment), kierowany przez prof. Andrzeja Udalskiego z Obserwatorium Astronomicznego UW. Obserwuje się tu kilkadziesiąt milionów gwiazd w poszukiwaniu zjawisk mikrosoczewkowania grawitacyjnego, związanego z obecnością pozasłonecznych planet krążących wokół gwiazd działających jako soczewki. Dzięki projektowi ASAS (All Sky Automatic Survey), który wykorzystuje urządzenia zbudowane przez dr hab. Grzegorza Pojmańskiego z Obserwatorium Astronomicznego UW, za pomocą małych automatycznych teleskopów odkryto kilkadziesiąt tysięcy gwiazd zmiennych. W naszym przypadku nowością była koncepcja szybkiej analizy kolejnych zdjęć nieba zaraz po ich otrzymaniu, w poszukiwaniu rozbłysków, które trwają bardzo krótko, oraz pokrycie ciągłymi obserwacjami całego nieba, co oznacza, że trzeba sobie radzić z ogromnym strumieniem danych.

Razem z Grzegorzem Wrochną z Instytutu Problemów Jądrowych i Aleksandrem Filipem Żarneckim z Instytutu Fizyki Doświadczalnej UW zajmowaliśmy się fizyką cząstek elementarnych. Obserwacja nieba była dla nas wyzwaniem, ale za to nie baliśmy się analizy dużych strumieni danych. Do budowy naszego teleskopu-robota postanowiliśmy wykorzystać doświadczenia zgromadzone w Warszawie przy budowie detektorów dla eksperymentów fizyki cząstek elementarnych, m.in. dla DESY i CERN-u. Znając doświadczenia Grzegorza Pojmańskiego, który często narzekał na jakość aparatury kupowanej za granicą, i podobnie jak on nie mając wielkich środków na zakup sprzętu pierwszej klasy, postanowiliśmy ten sprzęt zbudować sami. Rozwiązanie to pozwalało także zgromadzić wiedzę, która mogła się stać podstawą nowej polskiej specjalności naukowej: projektowania i wykorzystywania małych detektorów-robotów do ciągłych obserwacji nieba. Za pośrednictwem Fundacji Astronomii Polskiej pożyczyliśmy 10 tys. dolarów od prof. Paczyńskiego i rozpoczęliśmy pracę. Wkrótce potem udało nam się uzyskać grant MNiSW w wysokości 50 tys. złotych. Postanowiliśmy zacząć od małego urządzenia, aby zebrać doświadczenia pozwalające zbudować duży detektor, pokrywający swoim zasięgiem praktycznie całe niebo. Pole widzenia można wyrażać w jednostkach kąta bryłowego, steradianach; niebo widoczne z dowolnego miejsca na kuli ziemskiej to nieco więcej niż π (3,14...) steradianów. Stąd wzięła się nazwa eksperymentu: Pi of the Sky.

Automaty przeszukują niebo

Kamera CCD działa podobnie jak cyfrowy aparat fotograficzny, ale kamera przeznaczona do badań naukowych musi spełniać znacznie ostrzejsze wymagania dotyczące m.in. stosunku sygnału do szumu – musi być po prostu bardzo czułym urządzeniem pomiarowym. Jak czułym? Wyobraźmy sobie maszynę w mennicy, która produkuje worki z pieniędzmi. W każdym worku jest około miliona złotych. Naszym zadaniem jest zbudowanie urządzenia, które sprawdza, ile jest pieniędzy w każdym worku i nie myli się przy tym o więcej niż 100 złotych, badając... milion worków na sekundę! W Instytucie Systemów Elektronicznych Politechniki Warszawskiej znaleźliśmy młodego magistranta, który okazał się geniuszem w zakresie budowy kamer CCD. Dzięki naszemu projektowi mógł pokazać w praktyce, co potrafi. Dziś Grzegorz Kasprowicz kończy doktorat z elektroniki w międzynarodowym laboratorium fizyki jądrowej CERN w Genewie, jest w dalszym ciągu głównym konstruktorem naszej elektroniki i planuje wrócić do Polski, gdzie ma zamiar założyć własną firmę zajmującą się konstrukcją nietypowej aparatury elektronicznej do celów naukowych.

Tymczasem udział „naukowej młodzieży” w eksperymencie Pi of the Sky stał się naszą specjalnością. Na stronie projektu (http://grb.fuw.edu.pl/pi) można znaleźć listę obecnych i byłych współpracowników – większość to magistranci i doktoranci pracujący pod kierunkiem kilku doświadczonych kolegów. Dzięki współpracy z nami zyskali wyjątkową możliwość sprawdzenia się w środowisku autentycznego eksperymentu, gdzie wszystkie ich osiągnięcia, ale i błędy, przekładają się bezpośrednio na wyniki całego zespołu.

Kamery CCD własnej konstrukcji to niejedyny problem, który trzeba było rozwiązać. Kamera powinna mieć migawkę. Ponieważ błyski gamma trwają dość krótko (najdłuższe nie więcej niż kilkaset sekund), postanowiliśmy fotografować niebo z 10-sekundowym czasem ekspozycji. Typowe komercyjne migawki wytrzymują około 100 tys. otwarć, łatwo więc oszacować, że zepsułyby się mniej więcej po miesiącu. Inżynierowie z Instytutu Fizyki Doświadczalnej UW skonstruowali więc specjalne migawki, które wytrzymują ponad milion cykli.

Prototyp detektora składał się z dwóch kamer CCD umieszczonych na specjalnym, obrotowym montażu. Dzięki poparciu prof. Paczyńskiego udało się go umieścić w obserwatorium Las Campanas na pustyni Atacama w Chile.

Ożywione kilkudziesięcioma tysiącami linii kodu, urządzenie pracuje samodzielnie, bez ingerencji człowieka. Samo układa sobie program obserwacji na daną noc, na podstawie informacji o orientacji satelitów otrzymywanych z sieci GCN. Dwa razy w ciągu nocy kamery systematycznie omiatają całe niebo w poszukiwaniu rozbłysków nowych gwiazd. W pozostałym czasie śledzą pole widzenia jednego z satelitów poszukujących rozbłysków w zakresie promieniowania gamma. Detektor jest wyposażony w mechanizmy sztucznej inteligencji – sam analizuje dane i potrafi wykryć rozbłysk optyczny, którego nie zaobserwowały satelity GCN. Potrafi też zareagować na typową awarię i naprawia się sam, bez ingerencji człowieka. Dopiero kiedy nie jest w stanie dać sobie rady, a także na początku i na końcu obserwacji, kontaktuje się SMS-em z opiekunem w Warszawie.

Fakt, że w danej chwili na niebie nie zarejestrowano żadnego błysku, nie oznacza, że nie dzieje się nic ciekawego. Obserwacje zebrane przez detektor Pi of the Sky w czasie, gdy „nic się nie dzieje”, pozwalają śledzić losy około 10 mln gwiazd, dla których wykonano około 2 mld obserwacji. Do rutyny należy odkrywanie nowych gwiazd i obserwacja innych ciekawych obiektów astronomicznych wykonywana na prośbę astronomów z Polski i z całego świata. Ta wielka baza danych – jedna z największych niekomercyjnych i dostępnych publicznie baz danych w Polsce – pozwala też szlifować umiejętności studentów informatyki. Rozpoczęta w ubiegłym roku współpraca z firmą IBM Polska, która udostępnia nam nieodpłatnie swoją najnowszą bazę danych, zaowocowała na warszawskich uczelniach kilkoma pracami magisterskimi w dziedzinie informatyki. Tak jak dla studentów elektroniki czy fizyki Pi of the Sky jest wyjątkową okazją wypróbowania własnych umiejętności przy realizacji realnego projektu, młodym informatykom współpraca z nami daje wyjątkowe możliwości korzystania z najnowszych, komercyjnych narzędzi współczesnej informatyki.

Eksplozja, jakiej nie było

A co zdarzyło się pamiętnego poranka 19 marca 2008 roku? Po seminarium poszedłem na wykład i dopiero SMS od Kasi uświadomił mi, że nasz zespół uczestniczył w jednym z najbardziej spektakularnych odkryć w historii astronomii. Przybliżmy ten proces: o godzinie 7:12 nad ranem nasze kamery, wycelowane szczęśliwie we „właściwy” fragment nieba, zarejestrowały niezidentyfikowany rozbłysk optyczny – komputery rozpoznały, że na zdjęciu pojawiła się nowa jasna plamka, i rozpoczęły procedurę weryfikacji na kolejnych zdjęciach. Dwie sekundy później potężny impuls promieniowania gamma dociera do satelity SWIFT, który po 17 sekundach wysyła alert przez internet do teleskopów naziemnych. Alert dociera do naszego detektora, który zdążył wykonać jeszcze dwie ekspozycje, gdzie wyraźnie widać coraz jaśniejszą kropkę. Rozbłysk optyczny jest tak jasny, że powinien być widoczny gołym okiem. Do obserwacji błysku włącza się TORTORA – zwykła kamera wideo zamontowana na włoskim teleskopie REM w sąsiednim obserwatorium La Silla. Zbudowana i kierowana przez rosyjskich astronomów, dostarcza przez kilkadziesiąt sekund obserwacje ze zdolnością rozdzielczą dziesiątych części sekundy. Zaalarmowane przez SWIFT-a teleskopy naziemne zaczynają obracać się w stronę błysku i po kilku minutach jest to najdokładniej obserwowany punkt na niebie. Obserwacje są prowadzone praktycznie w całym zakresie widma optycznego oraz w promieniowaniu rentgenowskim i gamma. Po kilku godzinach są już znane wyniki pomiarów przesunięcia ku czerwieni, wykonanych za pomocą wielkich teleskopów. Wskazują na ogromną odległość – ok. 7,5 mld lat świetlnych! Oznacza to, że rozbłysk nastąpił na długo przed powstaniem naszej planety, w czasach, gdy obserwowalny Wszechświat był o połowę młodszy niż dziś.

Dzięki niezwykłej mocy, i szczęśliwemu zbiegowi okoliczności, rozbłysk gamma GRB20080319B stał się najdokładniej zbadanym rozbłyskiem tego typu w historii. Film, złożony z kilku ekspozycji Pi of the Sky i umieszczony przez nas w internecie, w ciągu paru dni zyskał sławę „pierwszego w historii ludzkości filmu z narodzin czarnej dziury”. Zainteresowanie mediów elektronicznych było olbrzymie, nasze dane trafiły nawet na strony internetowe muzułmańskich organizacji terrorystycznych. Ale prawdziwa praca dopiero się rozpoczęła. Powstało konsorcjum kilkunastu zespołów związanych z teleskopami i satelitami, które zaobserwowały rozbłysk. Otrzymaliśmy tam zaproszenie i rozpoczęła się mozolna analiza danych. Każdy instrument pracował na trochę innych długościach fal elektromagnetycznych, co utrudniało pracę, ale pozwalało także na uzyskanie szerokiego obrazu promieniowania towarzyszącego rozbłyskowi. Konkluzje są ciekawe, choć zapewne do przewidzenia. Standardowe modele błysków gamma nie wytrzymują konfrontacji ze znacznie precyzyjniejszymi danymi i coraz wyraźniej widać, że wymagają uzupełnienia i rozwinięcia. Ba, ale w którym kierunku? Czeka nas jeszcze sporo pracy, zanim dowiemy się, co naprawdę dzieje się wokół ginącej gwiazdy w momencie powstania czarnej dziury. Rozbłysk GRB20080319B jeszcze przez długi czas będzie zapładniał wyobraźnię astronomów i astrofizyków. W „Nature” z 11 września ukazał się artykuł, którego współautorami byli również badacze z Instytutu Problemów Jądrowych w Warszawie, Centrum Fizyki Teoretycznej PAN, Politechniki Warszawskiej oraz Uniwersytetu Warszawskiego poświęcony badaniom „naszego” błysku.

Gdy już opadły emocje spowodowane odkryciem, wróciliśmy do codzienności. Dobiegają końca prace nad dużym detektorem z 32 kamer umieszczonych na 8 ruchomych montażach. To duży projekt, finansowany przez MNiSW. Nowy detektor będzie obserwował ponad π steradianów i będzie w stanie wykrywać rozbłyski niezależnie od informacji dochodzących z satelitów czy innych teleskopów. W ten sposób zrealizujemy do końca idee prof. Paczyńskiego. Jesteśmy mu to winni.

Szczegółowe informacje na temat odkrycia błysku GRB20080319B można znaleźć na stronie internetowej http://grb.fuw.edu.pl/pi/ot/grb080319b/news_pl.html

DOC. DR HAB. LECH MANKIEWICZ jest jednym z twórców programu Pi of the Sky.

Wiedza i Życie (10/2008)

Redaktor naczelny: Elżbieta Wieteska
Wydawnictwo: Prószyński Media
Tytuł: Wiedza i Życie
Data wydania: 10/2008
Liczba stron: 80+4
Format: 205x275
Cena z okładki: 6.99


blog comments powered by Disqus