Waga nieba

Bożena Kastory: - Panie profesorze, czy astrofizycy, których jest pan znakomitym reprezentantem, cenionym po obu stronach Atlantyku, nie czują się zakłopotani faktem, że wciąż nie wiedzą nic o ponad 90 proc. materii, z której zbudowany jest wszechświat?
Bohdan Paczyński: - Istotnie, na pytanie, czym jest ciemna materia, stanowiąca 90, a może nawet 99 proc. wszechświata, odpowiedź brzmi: nie mamy zielonego pojęcia.
- Czy nieznajomość tak ogromnej części materialnego świata nie deformuje naszych wyobrażeń o jego strukturze, pochodzeniu, przyszłych losach?
- Wszelkie wnioski na temat wszechświata jako całości czy jego części zawsze trzeba dzielić na prawie pewne, prawdopodobne i zaledwie hipotetyczne. Tak się składa, że duża część naszej wiedzy o wszechświecie jest zupełnie zrozumiała, mimo iż w ogóle nie wiemy, czym jest ciemna materia.
- Kiedy zaczęto podejrzewać, że istnieje jakaś niewidoczna substancja wypełniająca wszechświat?
- Kilkadziesiąt lat temu ekscentryczny astronom szwajcarski Fritz Zwicky, mieszkający w Stanach Zjednoczonych, zauważył, że galaktyki - olbrzymie zbiory miliardów gwiazd, wchodzące w skład jeszcze większych struktur zwanych gromadami - poruszają się w tych gromadach tak, jakby ich masa była dziesięć razy większa niż masa tworzących je gwiazd, obłoków pyłu i gazu. Nie wszyscy jednak potraktowali serio to, co mówił, czasem miewał bowiem zupełnie szaleńcze pomysły. Jego przypuszczenia zignorowano. Dziś jednak potrafimy dokładnie zmierzyć prędkość galaktyk w gromadach i wiemy, że tak wielkie struktury musiałyby się rozsypać, gdyby nie utrzymujące je potężne siły grawitacyjne. Te siły są wielokrotnie potężniejsze, niżby wynikało z dającej się zauważyć świecącej materii gwiazd. Astrofizycy musieli więc dojść do wniosku, że we wszechświecie istnieje ogromna ilość materii, która nie świeci i o której nie wiemy nic.
- Zaproponował pan podobno metodę "zważenia" tej tajemniczej materii we wszechświecie?
- Zjawisko, które proponuję w tym celu wykorzystać, nosi nazwę soczewkowania grawitacyjnego. Jedyna cecha ciemnej materii, którą możemy zaobserwować, to jej siła przyciągania. W pewnych okolicznościach tę siłę można zmierzyć. Sama istota tego zjawiska jest przewidziana przez teorię względności Einsteina. Wynika z niej, że promienie światła trafiające w pobliże ciężkich obiektów zakrzywiają swój tor. Dzieje się tak dlatego, że skupiska wielkich mas - galaktyki, czarne dziury, ciężkie gwiazdy - zakrzywiają przestrzeń. Światło, szukając najkrótszej drogi w zakrzywionej przestrzeni, biegnie po liniach krzywych. Zakrzywianie promieni światła w pobliżu masywnych obiektów można w pewnych okolicznościach zaobserwować. Pierwszy raz dokonano tego dwadzieścia lat temu. Pomiędzy Ziemią a kwazarem znajdującym się w odległości 10 mld lat świetlnych od nas (co oznacza, że światło pokonując 300 tys. km w każdej sekundzie, biegło od tego kwazaru do nas 10 mld lat) znalazła się masywna galaktyka. Zakrzywienie przestrzeni wokół miliarda tworzących ją gwiazd spowodowało, że powstały dwa obrazy tego samego kwazaru. Każdy z nich dotarł do Ziemi inną drogą, po dwóch stronach tej galaktyki. Udało się nawet stwierdzić, że jedna z tych dróg była o 410 dni dłuższa.
- Dzięki ugięciu promieni światła z kwazaru w pobliżu galaktyki oblicza się, jak wiele materii jest w tej galaktyce?
- Grawitacyjne zagięcie przestrzeni jest tym większe, im więcej masy zawiera galaktyka czy gromada galaktyk. Astronom, który potrafi wyznaczyć pole grawitacyjne czy siłę przyciągania galaktyki, może tym samym obliczyć jej masę
- Czy ciemną materię można wykryć w ten sam sposób?
- To właśnie zaproponowałem, a ponieważ technika obserwacji astronomicznych w ciągu ostatnich lat osiągnęła niezwykle wysoki poziom, moje przewidywania stały się impulsem do rozpoczęcia praktycznych pomiarów. Ciemnej materii szuka obecnie zespół o OGLE (od słów Optical Gravitational Lensing Experyment, czyli Eksperyment Optycznego Soczewkowania Grawitacyjnego) z warszawskiego Obserwatorium Astronomicznego. Jest to najlepszy zespół na świecie poszukujący ciemnej materii. Jego najsilniejszy konkurent pod koniec grudnia ubiegłego roku musiał zakończyć działalność.
- Czy udało się wykryć, czym jest ciemna materia?
- To sprawa ciągle kontrowersyjna. Różne zespoły odkryły łącznie ok. 500 przypadków mikrosoczewkowania grawitacyjnego, czyli zmian jasności dalekich gwiazd, wywołanych soczewkującym wpływem masywnych obiektów na drodze ich światła. W praktyce takie zespoły jak OGLE co noc dokonują pomiarów 30 mln gwiazd.
- Kto jest w stanie zanalizować taką ilość danych?
- Sztuka polega na tym, żeby napisać program, który zostawi tę pracę komputerowi. W zespole OGLE osobą, która potrafi wszystko, jest prof. Andrzej Udalski - on buduje aparaturę, prowadzi obserwacje, wyciąga wnioski naukowe. Natomiast specjalistą od fantastycznego softwaru komputerowego jest jego bliski współpracownik dr Michał Szymański, również z Obserwatorium Astronomicznego UW. Obserwacje prowadzi się nie w Warszawie, lecz w Chile, gdzie jest lepszy do tego klimat i gdzie astronomowie warszawscy mają własny zautomatyzowany teleskop, umieszczony na terenie Las Campas Observatory należącym do Carnegie Institution of Washington. Mam nadzieję, że w ciągu najbliższych kilku lat zespół OGLE rozstrzygnie, które ze zbadanych obiektów są zbudowane z ciemnej materii.
- Czy do utworzenia całego wszechświata - który okazuje się dziesięć razy cięższy niż znajdujące się w nim świecące gwiazdy, obłoki pyłów i gazów - starczyłoby znanej nam materii, złożonej z protonów i neutronów, czy też należy oczekiwać odkrycia jakiejś zupełnie egzotycznej, nieznanej substancji?
- Tego nie wiadomo. Astrofizycy proponują wiele różnych hipotetycznych rozwiązań. Mogą to być masywne ciemne obiekty: czarne dziury, ciemne gwiazdy, białe karły, czyli gwiazdy już wypalone. Ale mogą to być również zupełnie nieznane cząstki elementarne - być może pozostałość po Wielkim Wybuchu. Wydaje się, że takiej niezwykłej, egzotycznej materii musi być co najmniej pięciokrotnie więcej niż tej, którą znamy.
- Zajmował się pan nie tylko ciemną materią, ale też ewolucją gwiazd pojedynczych i podwójnych, takimi zjawiskami jak dyski akrecyjne czy obłoki materii gwiazdowej "pożerane" przez czarne dziury. Hinduski astrofizyk, laureat Nagrody Nobla, prof. Subrahmanyan Chandrasekhar, znakomity badacz czarnych dziur, powiedział mi kiedyś, że jeśli chodzi o dyski akrecyjne, jest pan najlepszy po obu stronach Atlantyku. Które z badań dały panu największą satysfakcję?
- Ostatnio były to błyski gamma, niezwykłe fenomeny pojawiające się w różnych częściach nieba. Ze względu na siłę wybuchów sądzono, że musi do nich dochodzić blisko nas, gdzieś w naszej Galaktyce. Ja byłem od początku przekonany, że są to bardzo odległe wybuchy, podczas których wyzwalana jest fantastycznie potężna energia. Kilka lat temu za pomocą nowego instrumentu umieszczonego na orbicie i wspomagającego aparaturę naziemną wykonano pomiary, które wykazały, że do rozbłysków gamma istotnie dochodzi w odległościach miliardów lat świetlnych od Ziemi.
- Czy wiadomo, co powoduje te gigantyczne rozbłyski w najróżniejszych częściach nieba?
- Wybuchy te przypominają eksplozje supernowych - gdy bardzo masywna gwiazda po wyczerpaniu paliwa termojądrowego zapada się, jej części zewnętrzne zostają rozerwane i mamy do czynienia z wyrzuceniem na zewnątrz ogromnej ilości energii, z fantastycznym fajerwerkiem. Obiekt taki świeci niesłychanie jasno, jak miliardy gwiazd razem wziętych. O ile jednak podczas wybuchu supernowej materia jest wyrzucana we wszystkich kierunkach z szybkością 5-10 tys. km/s, o tyle w błyskach gamma ta prędkość jest olbrzymia, bliska absolutnej granicy dopuszczalnej w przyrodzie - niemal 300 tys. km/s. A materia wydobywa się z gwiazdy tylko wąską strugą.
- Czy istnieją hipotezy wyjaśniające tak olbrzymią prędkość wyrzucanej materii?
- Nie, na razie nikt nie wie, dlaczego do tego dochodzi i dlaczego ta struga jest tak wąska i biegnie tylko w jednym kierunku. Intensywność wybuchów jest niesłychana. W ciągu kilku sekund taki obiekt świeci jaśniej niż cała reszta wszechświata.
- Na jakie odkrycie mogą w najbliższych latach liczyć astronomowie?
- Rozwiązanie następnej zagadki może być bardziej efektowe niż wszystkie poprzednie. Od pewnego czasu zaczęto podejrzewać, że próżnia nie jest zwykłą pustką, lecz czymś o wiele bardziej tajemniczym, że może mieć pewną energię. Wprawdzie niewykrywalną w skali laboratoryjnej, ale dającą się zauważyć w skali kosmicznej. Od kilku lat najróżniejsze obserwacje zdają się coraz wyraźniej wskazywać, że tak właśnie jest - próżnia wszechświata ma własności odpychające. Dwa obiekty usytuowane daleko od siebie są odpychane przez znajdującą się pomiędzy nimi próżnię. Rok temu jeden z najbardziej prestiżowych tygodników naukowych - "Science" - uznał to za odkrycie roku 1998. Opublikowano wtedy wyniki prac dwóch dużych zespołów, które doszły do wniosku, że geometrię wszechświata można wytłumaczyć, wyłącznie przyjmując istnienie odpychającej energii próżni. Jest to jednak wciąż raczej przypuszczenie niż dowód. Jeśli istnienie odpychającej energii próżni zostanie potwierdzone, będzie to odkrycie naukowe ogromnej miary.