Sensacyjne odkrycie zwiastuje złote czasy astronomii

W rozmowie z Grzegorzem Jasińskim profesor Bulik podkreśla, że dzięki temu odkryciu potwierdzono istnienie obiektów, które wcześniej teoretycznie przewidywano, tak zwanych kilonowych. To taki obiekt, który widzimy chwilę po połączeniu, koalescencji dwóch gwiazd neutronowych. Część swojej materii, wyrzucają one wokół siebie w postaci dysku. Ten dysk chłodzi się, zachodzą w nim reakcje jądrowe, a my promieniowanie tej bardzo gęstej materii widzimy - mówi prof. Bulik. Co ciekawe, w takiej gęstej materii powstają pierwiastki ciężkie, jak złoto i platyna i istnieje bardzo duże prawdopodobieństwo, że całe złoto, które znajduje się na Ziemi powstało właśnie w wyniku łączenia się dwóch gwiazd neutronowych. 

Grzegorz Jasiński: Panie profesorze, przy okazji odkrycia fal grawitacyjnych i przy okazji niedawnej Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki za to odkrycie, wiele mówiono o tym, że fale grawitacyjne stworzą nowe możliwości badań, otworzą przed astronomią nowe okno na Wszechświat. I okazuje się, że to nie sprawa przyszłości, to już się zdarzyło...

Prof. Tomasz Bulik: Wszyscy mieliśmy nadzieję na wiele odkryć związanych z falami grawitacyjnymi i teraz mamy przyjemność ogłosić fakt, że udało nam się zobaczyć układ podwójny dwóch gwiazd neutronowych, które spadły na siebie w relatywnie niedalekim Wszechświecie, około 100 milionów lat świetlnych od nas. To o tyle przełomowe, że odkrycie z pomocą fal grawitacyjnych było połączone z obserwacjami klasycznej astronomii i stało się kopalnią wiedzy o wielu aspektach astronomii i fundamentalnej fizyki. To odkrycie, dokonane 17 sierpnia tego roku, jest szczególnie ciekawe, bo prócz tego, że uczestniczyły w nim trzy detektory fal grawitacyjnych, dwa detektory LIGO, jeden VIRGO, dosłownie dwie sekundy po obserwacji fal grawitacyjnych, z pomocą satelity Fermi zarejestrowany został błysk promieniowania gamma. To pozwoliło znaleźć związek między astronomią fal grawitacyjnych, a astronomią gamma. To zapoczątkowało lawinę obserwacji przez wiele różnych obserwatoriów, optycznych, rentgenowskich, radiowych, które obserwowały i do dziś obserwują samo zjawisko i jego konsekwencje.

Odkrycie fal grawitacyjnych i błysku gamma zapoczątkowało wielką kampanię obserwacyjną, prowadzoną praktycznie na całym świecie...

W tym programie obserwacyjnym brało udział ponad 70 różnych instrumentów, różnych obserwatoriów, co stanowi w astronomii wielkie wydarzenie. Dzięki niemu rozwiązano zagadkę pochodzenia krótkich błysków gamma, która była z nami od lat 80-tych. I trzeba podkreślić, że model powstawania błysków gamma, jako skutku koalescencji, łączenia się dwóch gwiazd neutronowych, zaproponował prof. Bohdan Paczyński, znany, polski, niestety już nieżyjący astronom.

Słyszymy, że zaobserwowano fale grawitacyjne i dwie sekundy później błysk gamma, skąd te dwie sekundy opóźnienia?

Te dwie sekundy opóźnienia prawdopodobnie związane są z tym, że kiedy dwie gwiazdy neutronowe spadają na siebie, powstaje bardzo gorąca, rotująca kula materii i promieniowania. Przez tę kulę, struga, wypływ relatywistyczny, z którego powstaje błysk gamma, musi dopiero się przedrzeć. W tym wypadku widzieliśmy tę strugę pod pewnym kątem i to też wywołało pewne opóźnienie. Mamy kilka mechanizmów, które mogą nam to opóźnienie wyjaśnić, przy czym sam fakt, że to opóźnienie widzimy mówi nam bardzo dużo o tym, czym są błyski gamma, jak wygląda fizyka łączenia się takich wielkich obiektów, jak gwiazdy neutronowe. Każda z nich ma masę nieco większą od masy Słońca, a promień około 10-15 kilometrów.

Przy okazji potwierdza się to, co mówiono o falach grawitacyjnych, że pozwalają obserwować niezaburzony obraz, nie muszą się przedzierać przez żadne środowisko, docierają do nas w stanie zupełnie niezaburzonym, niezakłóconym...

Tak. Promieniowanie elektromagnetyczne, czy to optyczne, czy ultrafioletowe, czy gamma propagując się przez Wszechświat oddziałuje z materią i ta materia znacząco wpływa na to, co obserwujemy na Ziemi. Fale grawitacyjne oddziałują z materią bardzo słabo i praktycznie dochodzą od źródła do nas zupełnie niezaburzone. W związku z tym pozwalają nam zobaczyć takie obiekty, których nie jesteśmy w stanie dostrzec w zakresie elektromagnetycznym, na przykład powstawanie czarnej dziury w wyniku koalescencji dwóch czarnych dziur. Będziemy mogli wkrótce zobaczyć na przykład, co dzieje się we wnętrzu supernowej, ukrytym przed nami w zakresie elektromagnetycznym. Pewnie zdarzą się też jakieś niespodzianki.

To obserwacje prowadzone od tego czasu przez wiele obserwatoriów przyniosły potwierdzenie różnych teoretycznych przewidywań zjawisk, które we Wszechświecie występują. Więc zapytam o jedno z nich, co to jest kilonowa?

Kilonowa to taki obiekt, który widzimy chwilę po połączeniu, koalescencji dwóch gwiazd neutronowych. Część swojej materii, wyrzucają one wokół siebie w postaci dysku. Ten dysk chłodzi się, zachodzą w nim reakcje jądrowe, a my promieniowanie tej bardzo gęstej materii widzimy. Co ciekawe, w takiej gęstej materii powstają pierwiastki ciężkie, jak złoto i platyna i istnieje bardzo duże prawdopodobieństwo, że całe złoto, które znajduje się na Ziemi powstało właśnie w wyniku łączenia się dwóch gwiazd neutronowych.

Ta obserwacja była tak ciekawa między innymi dlatego, że wydarzenie o którym mówimy rozegrało się stosunkowo niedaleko od nas, w skali Wszechświata oczywiście, nieco ponad 100 milionów lat świetlnych. Oczywiście możliwości obserwacji z pomocą fal grawitacyjnych sięgają dużo dalej, ale jednak ta odległość ma znaczenie, bo pozwala zobaczyć więcej...

To łączenie się gwiazd neutronowych było widziane z odległości 40 megaparseków, czyli około 100 milionów lat świetlnych, w tym czasie zasięg, czyli możliwość detekcji takich obiektów sięgał od 60 megaparseków dla detektora VIRGO do prawie 200 dla detektorów LIGO. Widzieliśmy to zjawisko dość blisko, w stosunku do czułości detektorów, to pozwoliło badać je bardzo dokładnie. Stosunek sygnału do szumu był bardzo wysoki, było to bardzo znaczące, jak mówimy "jasne" w falach grawitacyjnych zjawisko. Jednocześnie ciekawe było to, że to łączenie się gwiazd neutronowych było bardzo słabym błyskiem gamma. Większość błysków gamma widzimy z odległości znacznie większych, nawet sto razy większych, niż ten konkretny błysk. Obserwacja tego błysku wyjaśnia nam pewne rzeczy, ale pokazuje też, że istnieje klasa tych zjawisk, których do tej pory tak naprawdę nie widzieliśmy lub nie byliśmy w stanie zidentyfikować. One są tak słabe, że prawdopodobnie widzieliśmy je w lokalnym Wszechświecie, ale nie mogliśmy zidentyfikować. Teraz, gdy mamy do dyspozycji obserwatoria fal grawitacyjnych, będziemy mogli też te obiekty zidentyfikować.

Ta kampania obserwacyjna była możliwa między innymi dzięki temu, że uruchomiono już obserwatorium VIRGO i ten zestaw trzech obserwatoriów fal grawitacyjnych z powodów czysto geometrycznych mógł pozwolić na w miarę precyzyjne określenie ich źródła...

Aby określić na niebie położenie źródła fal grawitacyjnych, trzeba wykorzystać kilka obserwatoriów. Położenie wyznaczamy przez triangulację, pomiar opóźnienia w jakim pojawia się sygnał w jednym w stosunku do drugiego. Ponadto, bardzo nam pomaga obserwacja relatywnej, względnej amplitudy, na ile amplituda w jednym obserwatorium, które ma inaczej ułożone ramiona, ma się do amplitudy w obserwatorium położonym parę tysięcy kilometrów stamtąd. Za pomocą dwóch obserwatoriów LIGO można było wyznaczyć położenie na niebie z dokładnością kilkuset stopni kwadratowych, analiza danych z trzech obserwatoriów zmniejszyła tej region do 28 stopni kwadratowych. I właśnie ta lokalizacja umożliwiła nam znalezienie odpowiednika elektromagnetycznego. Określenie pozycji z pomocą obserwatorium FERMI, które zaobserwowało błysk gamma, było bowiem znacznie mniej dokładne.

Co potem, dzięki tej kampanii, udało się zaobserwować, co można obserwować dalej?

Przede wszystkim mogliśmy obserwować promieniowanie kilonowej, tego chłodzącego się dysku materii. Ponadto można obserwować poświatę błysku gamma, promieniowanie związane z rejonem, w którym struga materii uderza w materie międzygwiazdową. I chłodzenie się tego szoku, który tam powstaje. Dalej możemy obserwować to promieniowanie zarówno w zakresie optycznym, jak i radiowym. Ponadto ciekawe jest to, że udało się zidentyfikować galaktykę, z której pochodzi to zjawisko i ponieważ mamy dokładnie miejsce, gdzie się to wydarzyło, możemy też zbadać, jaka byłą prawdopodobnie historia tego obiektu i z jakich gwiazd on mógł powstać. Możemy prześledzić, jak wyglądało pokolenie wstecz gwiazd, z których powstał ten układ podwójny gwiazd neutronowych. Tu jest cała kopalnia wiedzy astronomicznej. Dodatkowo jeszcze warto podkreślić, że fakt iż zobaczyliśmy równocześnie błysk w falach grawitacyjnych i falach gamma pozwolił wyznaczyć prędkość rozchodzenia się grawitacji z niespotykaną dotychczas dokładnością...

I jaka to prędkość?

To jest dokładnie prędkość światła. Potwierdza to fakt, że sygnały dotarły do nas z opóźnieniem dwóch sekund, propagując się przez sto milionów lat.

Czy w chwili, kiedy mamy potwierdzenie obietnic, jakie składano w związku z odkryciem fal grawitacyjnych, a z drugiej strony mamy konkretne wyniki polegające na wyjaśnieniu pewnych zjawisk, które do tej pory były przewidywane teoretycznie, możemy uznać, że te sensacyjne wieści zwiastują złote czasy astronomii?

Myślę, że tak. Spodziewam się teraz wielu ciekawych odkryć, niespodzianek, które przyniosą nam kolejne lata. Teraz te detektory fal grawitacyjnych są wyłączone i podlegają usprawnieniom. Chodzi o to, by zwiększyć ich czułość. Prawdopodobnie zostaną włączone w postaci sieci trzech obserwatoriów w przyszłym roku i wtedy będziemy, jak sądzę, obserwować znacznie więcej obiektów, więcej różnych ich aspektów, więcej ciekawych rzeczy. Myślę, że sam początek astronomii fal grawitacyjnych był spektakularny, od razu udało nam się zobaczyć kilka interesujących obiektów. Choćby podwójne czarne dziury, co do których istnienia, większość środowiska astronomicznego nie byłą do końca przekonana. Musze przy tym przyznać, że w Polsce w grupie astrofizyków, wraz z moim kolegą profesorem Krzysztofem Belczyńskim, od dłuższego czasu sądziliśmy i  przewidywaliśmy, że tego typu obiekty powinny być we Wszechświecie prominentne. Teraz okazuje się, że możemy zobaczyć też podwójne gwiazdy neutronowe. Do kompletu brakuje nam układów czarna dziura - gwiazda neutronowa, ale sądzimy, że powinny występować. Myślę, że dane, które zdobędziemy dzięki astronomii fal grawitacyjnych będą stanowiły niewyczerpane źródło informacji o Wszechświecie, inspiracji do prac, pozwolą nam poznać wiele aspektów Wszechświata, które są do tej pory nieznane.