Nasze zainteresowanie astronomią często ogranicza się do obserwacji nieba, wyodrębniania konstelacji gwiazd, a od czasu do czasu do podziwiania zjawiska zaćmienia. Na dalszym etapie może okazać się, że złożoność Wszechświata jest na tyle duża, że rządzony prawami zaawansowanej matematyki i fizyki bezmiar okazuje się dla nas zbyt skomplikowany. A co jeśli okoliczności zaobserwowania pierwszego pozasłonecznego układu planetarnego można by poznać bez skomplikowanych układów równań z wieloma niewiadomymi?
„Największe odkrycie dokonane przez polskiego astronoma od czasów Kopernika”
Dokonał tego prof. Aleksander Wolszczan, wybitny ekspert w badaniu pulsarów. I choć jego prace pełne są wyliczeń i wymagają specjalistycznego sprzętu, to naukowiec potrafi opisać w prostych słowach to, czym od lat się zajmuje. Jego dzieło szybko okrzyknięto w latach 90. XX wieku „największym odkryciem dokonanym przez polskiego astronoma od czasów Kopernika”, a zdarzenie opisywały renomowane czasopisma jak Science i Nature. Co więcej, to co zaobserwował prof. Wolszczan stanowi najlepszy próbnik teorii grawitacji, natomiast obserwacje pulsarów mogą pomóc odpowiedzieć na pytanie, jak wyglądał nasz układ w początkach swojego istnienia.
Prof. Wolszczan od 1990 r. prowadził obserwacje w mieszczącym się w Portoryko obserwatorium Arecibo przy użyciu ogromnego radioteleskopu o średnicy czaszy równej 305 metrów. Wykorzystał moment, kiedy urządzenie było przez pewien czas unieruchomione, dzięki czemu mógł prowadzić swoje badania tak długo. Naukowiec mierzył tam tzw. okresy oscylacji pulsarów, czyli umarłych, zwartych gwiazd, wysyłających w kosmos regularne impulsy radiowe.
Jednym z nich był pulsar o złożonej nazwie PSR 1257+12, a pomiar wspomnianego okresu oscylacji pozwolił mu odkryć krążące wokół niego trzy pierwsze planety pozasłoneczne. To dowiodło, że planety występują także poza Układem Słonecznym. Miesięcznik „Astronomy” umieścił go za to na liście 25 największych odkrywców – obok Newtona, Kopernika i Galileusza.
„Była to propozycja trudna do odrzucenia”
– Dostałem propozycję, by przenieść się do Arecibo i była to propozycja trudna do odrzucenia. Wielkość tego radioteleskopu przekłada się na jego czułość. Im większa czasza, tym większa zdolność zbierania energii radiowej z nieba od obiektów kosmicznych – tłumaczył po latach w programie „Astronarium” prof. Aleksander Wolszczan.
Jak wyjaśnił, pulsary działają, jak latarnie morskie, wysyłając w stronę obserwatora wąskie wiązki promieniowania radiowego przytwierdzone na sztywno do wirującej gwiazdy. Jeśli badacz znajdzie się w polu promieniowania wiązki, wówczas widzi regularne błyski.
– Było to trudne do opisania uświadomienie sobie, że to początek nowej ery badań planetarnych z niemożliwymi do przewidzenia konsekwencjami, nie tylko naukowymi, ale może przede wszystkim światopoglądowymi – wspomniał to zdarzenie, cytowany przez portal „Nauka w Polsce” prof. Wolszczan. Od czasu tego przełomowego odkrycia odnaleziono już ponad 5 tys. pozasłonecznych planet.
Nie jesteśmy ani pierwszym, ani ostatnim Wszechświatem?
Bywa i tak, że nasi rodzimi naukowcy wiążą się z polską uczelnią i prowadzą zaawansowane badania w kraju. Jednym z nich jest prof. Krzysztof Meissner – wykładowca Uniwersytetu Warszawskiego, który specjalizuje się w teorii cząstek elementarnych, teorii grawitacji oraz kosmologii.
Prof. Meissner jest naukowcem niezwykle wszechstronnym, co bez wątpienia łączy go z postacią Mikołaja Kopernika. Zajmując się m.in. teorią strun i próbami opisania wczesnego Wszechświata, współpracował z wieloma wybitnymi uczonymi w Polsce i poza jej granicami.
Wśród nich można wymienić, m.in. noblistę prof. Sir Rogera Penrose z Oxfordu i prof. Hermanna Nicolai z Instytutu Maxa Plancka w Poczdamie. To o wizycie pierwszego z nich zrobiło się w 2015 roku tak głośno, kiedy pojawił się w Warszawie, choć naukowcom zależało wówczas na dyskrecji. Noblista chciał w zaciszu klasztoru w Czerwińsku omówić z Polakiem jego odkrycie. Badania miały na celu potwierdzenie wielkiego wybuchu w teorii Einsteina.
Wielki wybuch nie był jeden?
Badacze współpracowali razem nad modelem tzw. konforemnej kosmologii cyklicznej. Zgodnie z jego założeniami nasz Wszechświat jest tylko pojedynczym ogniwem w całym łańcuchu eonów, czyli cykli, które rozpoczynają się od Wielkiego Wybuchu. Co ma na celu ten model? Pozwala on odpowiedzieć na pytanie, dlaczego Wszechświat zaczynał się od stanu niskiej entropii. W myśl założeń konforemnej kosmologii cyklicznej dzieje się tak dlatego, że Wielki Wybuch każdego eonu jest wynikiem upadku materiału czarnej dziury z poprzedniego eonu do stanu o niskiej entropii.
Gdyby teoria się potwierdziła, oznaczałoby to, że nie jesteśmy ani pierwszym, ani ostatnim Wszechświatem. – Teoria mówi nie tylko o tym, że poprzednie eony istniały, ale że miały taką samą fizykę co nasz eon. To jest dużo silniejsze stwierdzenie. Według mnie byłby to swoisty przewrót kopernikański. Obecnie myślimy o naszym Wszechświecie jako o jednokrotnym strzale – coś się zdarzyło na początku, potem się zakończy. Jeśli uda się nam pokazać, że nasz Wszechświat stanowi jedynie część łańcucha wszechświatów, to będzie to radykalna zmiana widzenia świata – mówi w wywiadzie dla „Tygodnika Powszechnego” prof. Krzysztof Meissner.
Warto zaznaczyć, że prof. Meissner jest także znany jako aktywny popularyzator nauki. Występuje publicznie, tłumaczy skomplikowane zagadnienia fizyki i kosmologii szerszej publiczności. Popularna stała się jego książka „Fizyk w jaskini światów”, w której rozmawia z Jerzym Sosnowskim o fizyce, jej związku z życiem i o możliwych konsekwencjach światopoglądowych współczesnej nauki.
„Bóg jest matematyką”
Nierozłączność fizyki z życiem zauważa też ks. prof. Michał Heller. Jego dorobek naukowy udowadnia, że nauka i religia mogą iść w parze. Sam nieraz podkreśla, że „Bóg jest matematyką”. Uczony od lat pracuje nad połączeniem dwóch najważniejszych teorii fizycznych – ogólnej teorii względności i mechaniki kwantowej.
Ks. prof. Heller powołał Centrum Kopernika Badań Interdyscyplinarnych, którego misją jest finansowanie działań naukowych i popularyzacja nauki. Powstanie instytucji stało się możliwe, dzięki nagrodzie, jaką uczony został uhonorowany. Stał się tym samym pierwszym Polakiem, któremu przyznano Nagrodę Templetona, nazywaną „teologicznym Noblem”. Ustanowione w 1972 roku wyróżnienie przyznawane jest corocznie za „wyjątkowy wkład w afirmację duchowego wymiaru życia poprzez spostrzeżenie, odkrycie lub prace praktyczne”, czyli najprościej mówiąc – za odnajdywanie pomostów między religią a nauką.
Naukowiec jest też znanym popularyzatorem wiedzy. W swoich wykładach nieustannie walczy ze stereotypami, propagując ideę metodologicznego naturalizmu, w myśl której nauka nie może odwoływać się do bytów nadprzyrodzonych, jeśli chce rzetelnie wyjaśniać zjawiska. W tym kontekście pojawia się postać Boga, którego rola jest zdaniem profesora nadużywana. Zwraca on uwagę, że wielu naukowców usiłuje niedostatki w wiedzy tłumaczyć boskimi interwencjami, tworząc tak zwanego „Boga luk”.
Jego zdaniem, istnieją jednak trzy „dziury”, których nauka nie jest w stanie wypełnić. Pierwsza z nich – ontologiczna stawia pytanie o powody, dla których istnieje raczej coś niż nic. Druga dziura – epistemologiczna szuka powodów, dla których Wszechświat jest racjonalny i może być badany metodami matematycznymi, natomiast dziura aksjologiczna szuka źródeł uniwersalnych wartości. W jego opinii Wszechświat istnieje właśnie dlatego, że jest racjonalny i matematyczny.
Einstein często podkreślał, że jedyną rzecz, którą chciałby wiedzieć, to jakie pan Bóg ma myśli. Znając je, znałby cały plan stwórczy Wszechświata. W ten zamysł boży są wkomponowane przypadki, więc walka z nimi po prostu nie ma sensu. (…) Jeżeli fizycy krok po kroku realizują zamysł Boga, to cała historia fizyki świadczy o tym, że Bóg myśli matematycznie. W siatce praw fizyki są wole miejsca na działanie przypadków i jest dokładnie ich tyle, by te prawa mogły rządzić konkretnymi procesami w przyrodzie – przekonywał podczas wykładu na Wyższej Szkole Informatyki i Zarządzania w Rzeszowie.
Na dowiedzenie swoich wyliczeń czekał dziesiątki lat
Jeden z tych procesów dostrzegł i opisał kolejny polski uczony, profesor Andrzej Trautman. Wśród wielu jego prac, na szczególną uwagę zasługuje ta dowodząca istnienia fal grawitacyjnych. Naukowiec przewidział, że wedle ogólnej teorii względności fale te niosą energię, dzięki czemu możliwe jest ich rejestrowanie.
Albert Einstein napisał wspólnie z Nathanem Rosenem pracę o tym, czy istnieją fale grawitacyjne i konkludował, że ich nie ma. To była pierwsza jego praca, która została zrecenzowana w czasopiśmie Physical Review i odrzucona, co wprawiło go w złość. Podobno napisał do redakcji, że jak on wysyła pracę, to ona nadaje się do druku, a nie by ją komentowano – mówił w wywiadzie dla kanału „Nauka. To Lubię”.
Prof. Trautman dowiódł, że Einstein się mylił, jednak na potwierdzenie swoich dokonań musiał czekać wiele lat. Fale grawitacyjne zaobserwowano po raz pierwszy w 2015 roku. Wtedy amerykańskie konsorcja Virgo Collaboration i LIGO Scientific Collaboration ogłosiły pierwszą wspólną detekcję fal grawitacyjnych, za co w 2017 roku trzech fizyków Rainer Weiss, Barry C. Barish oraz Kip S. Thorne otrzymało Nagrodę Nobla. W uzasadnieniu wskazano, że ich wkład był „decydujący w stworzenie detektora LIGO i obserwację fal grawitacyjnych”
– Dla mnie to nie była rewelacja, ja wiedziałem. Mam zaufanie do teorii, do obliczeń, które wykonuję. Dla mnie to było przyjemne przeżycie, że istnienie fal grawitacyjnych w obserwacjach ziemskich zostało potwierdzone, ale nie była to rewelacja – wspominał prof. Trautman.
Potwierdzono wówczas, że wokół Proximy Centauri znajduje się trzecia planeta
Polscy naukowcy mają na swoim koncie także projekty, w które zaangażowanych jest więcej osób. Z pewnością można do nich zaliczyć prof. Grzegorza Pojmańskiego, który w 1997 roku, wraz z profesorem Bohdanem Paczyńskim zapoczątkował projekt ASAS (All Sky Automated Survey). Jego celem jest monitorowanie blisko 20 milionów gwiazd. Z pomocą ASAS Pojmański odkrył dwie nowe komety: C/2004 R2 (ASAS) i C/2006 A1 (Pojmanski).
O ważnym odkryciu z początkiem 2022 roku informowało Obserwatorium Astronomiczne Uniwersytetu Warszawskiego, którego pracownikiem jest prof. Pojmański. Potwierdzono wówczas, że wokół Proximy Centauri znajduje się trzecia planeta. Proxima Centauri to po Słońcu najbliższa nam gwiazda. Dzieli ją od Ziemi odległość 4,25 lat świetlnych, podczas gdy do Słońca mamy „tylko” 8 minut i 20 sekund.
Pracownicy Obserwatorium przekazali, że jest to odległość umożliwiająca zaobserwowanie ruchu Proximy na tle dalszych gwiazd. Został do tego wykorzystany Teleskop Warszawski projektu OGLE. Warto w tym miejscu przypomnieć, że pierwszą planetę wokół Proximy odkryto w 2016 r., a jednym z autorów odkrycia był dr hab. Marcin Kiraga. Cztery lata później prof. Pojmański odkrył drugą planetę.
Cel: Wykryć zjawisko, które przewidział Einstein
Rozwijając kwestię wspomnianego wcześniej programu masowej fotometrii gwiazd OGLE (Optical Gravitational Lensing Experiment) nie można pominąć postaci prof. Andrzeja Udalskiego. Eksperyment Optycznego Soczewkowania Grawitacyjnego polega na ciągłym monitoringu nieba, a dokładniej na systematycznej, trwającej latami fotometrii kilkuset milionów gwiazd. Celem programu było wykrycie zjawiska mikrosoczewkowania grawitacyjnego, które przewidział wiele lat wcześniej Albert Einstein.
Jak tłumaczy prof. Marcin Kubiak z Obserwatorium Astronomicznego Uniwersytetu Warszawskiego na łamach „Forum Akademickiego”, zjawisko to polega na charakterystycznym pojaśnieniu gwiazdy w momencie, gdy dokładnie na linii łączącej ją z obserwatorem znajdzie się jakiekolwiek ciało obdarzone masą.
Wywołując odkształcenie otaczającej przestrzeni, działa ono przez pewien czas jak soczewka skupiająca światło i zwiększająca jasność obserwowanej gwiazdy. Analizując zmiany jasności możemy wnioskować o właściwościach ciał, nawet niewidocznych, wywołujących te pojaśnienia – wyjaśnia naukowiec.
Rewizja skali odległości we Wszechświecie
To właśnie dzięki wykorzystaniu tej metody zespół pod kierownictwem prof. Udalskiego sporządził bazę danych, która posłużyła m.in. do rewizji skali odległości we Wszechświecie, wykrycia setek tysięcy nowych gwiazd zmiennych, a także tzw. tranzytów, które mogą być planetami.
Jak przekonuje prof. Andrzej Udalski, nie chodzi jedynie o poszukiwanie planet, bo niemniej ważne są informacje o własnościach brązowych karłów, czyli gwiazd, które w momencie powstawania były zbyt mało masywne, by w ich wnętrzu doszło do zapalenia wodoru. – Niewiele też wiadomo o gwiazdach karłowatych, a więc takich, których masa minimalnie przekroczyła granicę niezbędną do powstania warunków zapalenia paliwa jądrowego – dodaje uczony.
Wykorzystywana przez niego mikroobiektywacja grawitacyjna to zjawisko polegające na tym, że światło z odległego obiektu, np. gwiazdy, jest odchylane przez grawitację innego obiektu, np. planety lub brązowego karła. To odchylenie może powodować chwilowe rozjaśnienie źródła światła, co pozwala na jego wykrycie.
Badanie odległości do Wielkiego Obłoku Magellana trwało 20 lat
Zatrudniony w Obserwatorium Astronomicznym Uniwersytetu Warszawskiego w Warszawie prof. Grzegorz Pietrzyński również bierze udział w projekcie OGLE. Naukowiec dokonał wielu odkryć wśród których na szczególną uwagę zasługuje precyzyjne wyznaczenie odległości do Wielkiego Obłoku Magellana, czyli najbliższej nam galaktyki.
Zespół prof. Pietrzyńskiego obliczył, że galaktyka ta znajduje się w odległości około 160 tys. lat świetlnych. Jak tego dokonano?
– Użyto klasycznej, znanej od ponad 100 lat, metody obserwacji podwójnych gwiazd zaćmieniowych. Obserwuje się gwiazdy, które powstały w podobnym czasie i obiegają ten sam środek masy. Od czasu do czasu jedna zakrywa drugą i następuje spadek jasności jednej z nich. Patrząc na nie pod różnymi kątami, można zmierzyć wiele parametrów fizycznych, a także odległość. Badanie odległości z precyzją 1 proc. do Wielkiego Obłoku Magellana trwało 20 lat – mówił na antenie Programu Pierwszego Polskiego Radia naukowiec.
Prof. Pietrzyński prowadził również pionierskie badania galaktycznego halo Drogi Mlecznej, czyli sferycznego obszaru otaczającego naszą galaktykę. Te badania pomogły nam lepiej zrozumieć skład i ewolucję galaktyk.
Jak widać, polska astronomia ma bogatą tradycję sięgającą czasów Mikołaja Kopernika, a współcześni naukowcy z sukcesami ją kontynuują. Ich dokonania obejmują szeroki zakres zagadnień, od odkrywania egzoplanet i badania czarnych dziur, po pomiary odległości do galaktyk i analizę ewolucji Wszechświata.
Warto również podkreślić znaczenie popularyzacji nauki w dziedzinie astronomii. Polscy astrofizycy aktywnie działają na rzecz przybliżania skomplikowanych zagadnień astronomii szerszej publiczności, inspirując młode pokolenia do zgłębiania tajemnic kosmosu.
Polska nauka
śladami Kopernika
Przeczytaj inne artykuły poświęcone polskiej nauce
Projekt współfinansowany ze środków Ministerstwa Edukacji i Nauki w ramach programu „Społeczna Odpowiedzialność Nauki”