Od planetoid po czarne dziury: Polski wkład w międzynarodową astronomię dzięki ESO

Europejskie Obserwatorium Południowe (ESO) ma wielkie, nowoczesne teleskopy na południowej półkuli Ziemi, na pustyni Atakama w Chile, która jest jednym z najsuchszych miejsc na Ziemi. Dodatkowo daleko tam od miast czy innych źródeł światła. Dzięki temu warunki obserwacji nieba są tam wyjatkowo dobre. Polska od 10 lat należy do ESO i w związku z tym nasi astronomowie mają możliwość prowadzenia tam badań i obserwowania nieba, które nie jest widoczne z naszego kraju - mówi RMF FM dr Krzysztof Czart, wiceprezes Polskiego Towarzystwa Astronomicznego. W rozmowie z Grzegorzem Jasińskim opowiada, jakie badania i przy użyciu jakich teleskopów są tam możliwe.

• Polska od 10 lat korzysta z Europejskiego Obserwatorium Południowego (ESO) w Chile, dzięki czemu mamy dostęp do południowego nieba, niewidocznego z Polski.
• Teleskop VLT w Paranal to cztery 8-metrowe teleskopy działające interferometrycznie, co daje rozdzielczość jak teleskop o średnicy 100-150 m!
• Obserwacje obejmują planety pozasłoneczne, galaktyki, czarne dziury i planetoidy, a polscy astronomowie mają tu spory wkład, np. w badania supermasywnej czarnej dziury.
• W budowie jest ekstremalnie duży teleskop ELT o średnicy 40 m, który zrewolucjonizuje badania Wszechświata i planet pozasłonecznych.
• Chcesz wiedzieć, jak Polacy wykorzystują te teleskopy i jakie tajemnice Kosmosu mogą odkryć? Sprawdź pełny wywiad!

Grzegorz Jasiński: Panie doktorze, Polska od dziesięciu lat jest członkiem Europejskiego Obserwatorium Południowego. Dla miłośników astronomii nie jest oczywiście tajemnicą, dlaczego to tak ważne dla polskich astronomów, ale powiedzmy, dlaczego to tak istotne.

Dr Krzysztof Czart: Europejskie Obserwatorium Południowe to taka organizacja, która posiada wielkie, nowoczesne teleskopy. To jest jeden aspekt. Natomiast drugi aspekt jest taki, że te teleskopy posiada na południowej półkuli Ziemi. My jako Polska leżymy na północnej półkuli. Nie mamy dostępu do całego nieba, całego Kosmosu, tylko do północnej części i pewnych elementów południowego. Dlatego, jeżeli chcemy mieć dostęp do badania tych obszarów, niewidocznych od nas, to musimy mieć teleskopy na południowej półkuli. No i właśnie ESO jest takim rozwiązaniem, żeby to mieć. Wiele krajów europejskich do Europejskiego Obserwatorium Południowego należy, szczególnie takie, które chcą być nowoczesne, mieć nowoczesną naukę. Dlatego Polska też tam jest.

To Europejskie Obserwatorium jest w Chile na pustyni Atakama i to też nie jest przypadkowe miejsce. Ono jest jednym z niewielu miejsc na świecie, które oferują astronomom tak dobre warunki obserwacji.

Dokładnie. Żeby prowadzić obserwacje astronomiczne, po pierwsze takie najbardziej standardowe to to, co widzimy naszymi oczami, czyli zakres widzialny. Jak popatrzymy na niebo, jak są chmury, to nie widać gwiazd. Wtedy teleskop, taki zwykły też nie widzi gwiazd, więc musimy mieć jak najwięcej pogodnych nocy, bezchmurnych. Najlepiej, żeby to był klimat taki, w którym też nie będzie wilgotno, nie będzie deszczu, nie będzie innych takich rzeczy. Jest kilka miejsc na świecie, które są idealne pod tym względem dla astronomii. Jednym z nich jest Chile. Tam oprócz Europejskiego Obserwatorium Południowego kilka innych krajów, innych instytucji z innych kontynentów też posiada teleskopy. Natomiast tam istotnym elementem też jest takie coś, że nie możemy mieć świateł naokoło. Tutaj w Polsce może gdzieś się jeszcze znajdzie miejsca, gdzie niebo jest dość ciemne. Natomiast na pustyni Atakama w Chile są takie warunki, że na przykład przez sto kilometrów nie ma żadnej miejscowości, więc tam jest naprawdę czarne niebo i jakieś takie sztuczne światła w nocy nam pod tym względem nie przeszkadzają.

Powiedzmy coś o tych obserwatoriach i teleskopach, które tam są. Pierwsza seria teleskopów to było Obserwatorium La Silla. Potem pojawiło się Obserwatorium Paranal i tak zwany Bardzo Duży Teleskop VLT, który tak naprawdę jest w postaci czterech teleskopów. Dlaczego jeden wielki teleskop to cztery jednakowe, nie tak wielkie teleskopy? Dlaczego tak to zbudowano?

Ten teleskop on ma oficjalną angielską nazwę Very Large Telescope. My go tutaj tłumaczymy na polski jako Bardzo Duży Teleskop, skrót VLT po angielsku. I zbudowano go nie jako jeden instrument, tylko jako cztery, a w zasadzie nawet jako osiem. Cztery duże ośmiometrowe i cztery takie mniejsze, po niecałe dwa metry. Po to, żeby móc obserwować w takim specjalnym trybie, który się nazywa interferometrią. To najbardziej znane jest w radioastronomii, w badaniach kosmosu, gdzie mamy radioteleskopy, czasami dużo takich anten, radioteleskopów. One wszystkie mogą patrzeć na jeden obiekt. Ten sygnał się łączy. I wtedy korzyścią tego jest, że uzyskujemy dużo lepszą rozdzielczość uzyskanego obrazu. To można robić też właśnie w zakresie widzialnym, chociaż jest dużo trudniejsze niż w radioastronomii. Właśnie te teleskopy VLT wykorzystują taką interferometrię. To jest jeden z niewielu takich dużych interferometrów optycznych w astronomii. I wtedy rozdzielczość takiego obrazu jest taka jak największa odległość pomiędzy teleskopami, które wchodzą w skład tego zespołu. Czyli my tutaj możemy mieć rozdzielczość taką no powiedzmy mniej więcej jak stu czy nawet 150-metrowy teleskop, bo taka takie są dystanse graniczne między tymi teleskopami. Natomiast pojedynczy ma ponad osiem metrów. Ośmiometrowy to już jest naprawdę duży teleskop i dużo światła zbiera. Te takie mniejsze są dodane po to, żeby mieć więcej tych punktów. Ponieważ w interferometrii też im więcej mamy tych punktów, z których zbieramy dane, to też lepiej dla nas.

To są teleskopy optyczne, ale ich zakres, który odbierają, nie ogranicza się do światła widzialnego. Jest jeszcze trochę po jednej i po drugiej stronie, po stronie podczerwieni i po stronie ultrafioletu.

Generalnie z obserwatoriów naziemnych w obserwacjach Kosmosu mamy nad nami atmosferę i ona jest tym ograniczeniem, które wpływa na to, jaki zakres światła czy jaki zakres długości fal możemy obserwować. Widzimy światło widzialne, czyli mniej więcej to, które nasze oczy widzą. Widzimy kawałek podczerwieni, może troszeczkę ultrafioletu. Natomiast takiej już bardzo dalekiej podczerwieni czy fal krótszych niż ultrafiolet, na przykład promieniowania rentgenowskiego czy gamma bezpośrednio z powierzchni Ziemi nie zobaczymy. Zobaczymy jeszcze fale radiowe i dlatego dużo radioteleskopów mamy też w obserwacjach astronomicznych. Tutaj mamy światło widzialne i trochę podczerwieni. Podczerwień jest ważna w astronomii, bo pozwala spojrzeć w obiekty astronomiczne takie troszkę głębiej, w takie miejsca, gdzie światło widzialne nie przechodzi.

No właśnie, jakie obserwacje można prowadzić z pomocą tego teleskopu VLT w Obserwatorium Paranal? Jakiego typu? Między innymi można poszukiwać planet pozasłonecznych, ale nie tylko...

Te teleskopy to tak naprawdę służą do sporej części głównych, najważniejszych badań prowadzonych obecnie w astronomii. Są to wspomniane tutaj poszukiwania planet. Przy czym one raczej nie służą do tego, żeby taką planetę jakoś masowo wykryć. Do tego są inne teleskopy, zwykle mniejsze, nawet na orbicie umieszczane. Natomiast chodzi o to, by znając już tę planetę gdzieś, dokładniej to zbadać, na przykład próbować ustalić, jakie ma własności, czy ma atmosferę, z czego się składa ta atmosfera i tak dalej. Te teleskopy służą też do obserwowania galaktyk. To są zwykle słabe obiekty, a dalekie galaktyki są bardzo słabe, potrzebujemy dużych teleskopów, a to są duże teleskopy, więc obserwacji takich elementów we Wszechświecie, które są miliardy lat świetlnych od nas, czyli tych dalekich krańców Wszechświata, badania jak ten cały Wszechświat ewoluował. To takie elementy, którymi się kosmologia zajmuje. Te teleskopy służą też do obserwacji, na przykład czarnych dziur. Supermasywna czarna dziura w centrum Drogi Mlecznej wiemy, że jest. Zyskano nawet jej obraz też przy pomocy instrumentów Europejskiego Obserwatorium Południowego, ale akurat nie VLT. Natomiast przy pomocy VLT przez wiele, wiele lat obserwowano gwiazdy w pobliżu supermasywnej czarnej dziury w Drodze Mlecznej, ustalając dokładnie ich orbity i dowodząc, że ona tam jest i odkrywając różne inne rzeczy, na przykład efekty związane z teorią grawitacji Einsteina sprawdzano też w ten sposób. Poza tym służą też do badań obiektów całkiem bliskich nam, ponieważ na przykład bada się nimi czasami też planetoidy. Był taki projekt, jest nadal prowadzony też przez polskich astronomów z Poznania, którzy używali właśnie VLT do tego, żeby zbadać kształty różnych planetoid. I dla bardzo wielu tych największych planetoid udało się w ten sposób uzyskać dokładne kształty.

A jak wiernie można śledzić obiekty kosmiczne z pomocą tego zestawu teleskopów, bo to są jednak olbrzymie konstrukcje. Wydaje się, że na tych filmach poklatkowych to one się tak zabawnie kręcą w taki zsynchronizowany sposób, ale jeśli chcemy badać takie obiekty szybko poruszające się, to jak bardzo możemy się do nich dopasować i je śledzić?

Wiadomo, że duży teleskop jakoś super szybko nie będzie jechał. Gdy się stoi obok takiego teleskopu VLT, no to widać, że on się w sekundę nie obróci. Potrzebuje trochę więcej czasu, żeby się przemieścić z jakiegoś jednego końca nieba na drugi koniec nieba. Śledzenie za ruchem obiektu na niebie to jest standardowa rzecz. Każdy teleskop w miarę porządny potrafi śledzić za ruchem obrotowym Ziemi, co wbrew pozorom jest całkiem szybkie. To zauważy każdy, kto jakikolwiek teleskop sobie postawił na obiekt i popatrzy na to za minutę i mu już obiekt uciekł z pola widzenia, jeżeli nie miał tego śledzenia za niebem. Te teleskopy nie nadają się do śledzenia czegoś, co się bardzo szybko porusza. Nie będą śledziły na przykład satelity lecącego po niebie. Mogą śledzić kometę na przykład. Ona się troszeczkę porusza względem gwiazd, ale to jest dość powolny ruch. Natomiast nie będą śledziły czegoś, co się bardzo szybko po niebie porusza. Tylko raczej obiekty, które są w danej pozycji na niebie i głównym ruchem jest ten ruch pozorny.

Wspomniał pan o tych badaniach czarnej dziury w centrum naszej galaktyki. To też jest powód, dlaczego akurat ważne są obserwacje południowego nieba. No, po prostu z pewnych względów ono jest ciekawsze niż to północne, które my widzimy nad głową, choćby ze względu na to centrum galaktyki.

To był właśnie jeden z argumentów, dla których Europejskie Obserwatorium Południowe powstało. Europa chce mieć dostęp, swoją infrastrukturę mogącą obserwować właśnie centrum naszej galaktyki i Obłoki Magellana, Wielki Obłok Magellana, Mały Obłok Magellana, czyli takie pobliskie nam galaktyki, bardzo małe, nieregularne, ale bardzo ważne w badaniach astronomicznych. Tego nie zrobimy z Polski. To trzeba mieć właśnie tam teleskop. I to są te elementy, które w obecnej astronomii są istotnym elementem badań.

Teleskop VLT pracuje już dwadzieścia pięć lat, ponad dwadzieścia pięć lat, ale już od ponad dziesięciu lat trwają bardzo intensywne prace nad budową tego nowego teleskopu. Ponieważ ten jest bardzo duży, no to ten większy musi być ekstremalnie duży. Co daje nam, jakie nadzieje dla astronomów daje ten ekstremalnie duży teleskop (ELT), który powstaje nie tak daleko od Paranal na innej górze, nieco wyżej.

No właśnie tę konstrukcję teleskopu widać dobrze jak się stoi w VLT i w odwrotną stronę też widać. Bo tam jest kilkanaście czy dwadzieścia kilometrów odległości między nimi. Natomiast ekstremalnie wielki teleskop, czyli ELT będzie miał prawie czterdzieści metrów średnicy, czyli to jest pięć razy więcej niż taki jeden w VLT, ośmiometrowy. Możemy sobie wyobrazić, to jest mniej więcej połowa boiska piłkarskiego. Takiej wielkości będzie lustro. Nie będzie ono taką jedną taflą szkła, tylko będzie z wielu, wielu elementów złożone, ale średnica to prawie czterdzieści metrów. I to po pierwsze skupia dużo więcej światła od obiektu astronomicznego, bo to zależy od powierzchni zwierciadła. Cała ta powierzchnia odbija światło i skupia w jednym punkcie. My to wtedy rejestrujemy. Od tej średnicy zależy też rozdzielczość, z jaką możemy sobie rozdzielić dwa punkty na niebie, czy je widzimy jako punkt jeden, czy jako dwa osobne punkty. Taki duży teleskop ma lepszą rozdzielczość, niż malutki teleskop. Na tę rozdzielczość wpływa z kolei atmosfera, która nam przeszkadza, rozmywa obraz gwiazd. Widzimy na niebie, że czasem gwiazdy mrugają. To są różne turbulencje w atmosferze, powietrze się porusza. Dlatego te duże teleskopy - VLT to ma, ELT to będzie miało jeszcze bardziej zaawansowane - stosują tak zwane laserowe gwiazdy porównania. W niebo świeci laser, który na oko kilkadziesiąt kilometrów nad nami pobudza do świecenia pewne atomy i to widać jako taką jakby sztuczną gwiazdkę. Ona służy do tego, że ją się obserwuje i pozwala korygować te nasze zwierciadła z teleskopie tak, żeby te zaburzenia atmosfery usunąć, mieć rozdzielczość praktycznie prawie taką jak byśmy byli na orbicie pozaziemskiej, bez atmosfery. A na orbicie pozaziemskiej nie mamy teleskopów optycznych o średnicy czterdziestu metrów. Teleskop Hubble'a miał dwa metry z kawałkiem. Teleskop Webba nie ma nawet ośmiu metrów, ma sześć metrów mniej więcej z kawałkiem. Na czterdziestometrowy teleskop pewnie jeszcze trochę poczekamy na to, żeby był na orbicie. I teraz możemy po pierwsze badać jeszcze dalsze obiekty. Astronomowie chcą wiedzieć, co było w tych no prawie że samych początkach Wszechświata. Do tego są potrzebne właśnie takie jeszcze większe teleskopy. Możemy jeszcze dokładniej badać planety pozasłoneczne. Też potrzebujemy dużego teleskopu. Możemy jeszcze dokładniej badać początki galaktyk i wszystkie inne elementy, które na niebie mamy. Takim dużym teleskopem możemy też krócej obserwować, żeby zebrać dane. Czyli np. jeśli trzeba było, żeby na przykład jakąś serię gwiazd zaobserwować, potrzebny był, powiedzmy miesiąc. To tym teleskopem być może wystarczy tydzień, żeby ten sam efekt uzyskać.

Porozmawiajmy jeszcze chwilę o polskim zaangażowaniu w działalność Europejskiego Obserwatorium Południowego. Trochę wspomniał pan o tym, ale powiedzmy jeszcze, jakie badania Polacy, polskie zespoły naukowe, polscy astronomowie tam prowadzą najchętniej? W jakich jesteśmy mocni? Astronomia to jest akurat mocna dziedzina w naszej nauce. W jakich dziedzinach jesteśmy tam najbardziej zainteresowani czasem obserwacji?

Ja może podam kilka takich przykładów. Jeden już wymieniłem, czyli badania planetoid, czyli asteroid w Układzie Słonecznym. To tym zajmują się przede wszystkim astronomowie z Poznania, bo to jest ich specjalizacja. Innym takim elementem są badania gwiazd. Na przykład były prowadzone badania pewnego rodzaju gwiazd nowych. Gwiazdy nowe to takie gwiazdy, które wybuchają, rośnie ich jasność na niebie na pewien czas na skutek procesów, które tam zajdą. Jest to układ dwóch gwiazd, który tak ewoluuje, że następuje wybuch. My to widzimy jako pojaśnienie gwiazdy. Jeden z polskich astronomów badał specjalny obiekt tego rodzaju, który jak się okazało, nie jest standardową gwiazdą nową, tylko pewnym innym rodzajem tych gwiazd, nazywanym nowymi czerwonymi. Nowe czerwone w ten sposób, czyli jakby nowa klasa obiektów. Innym przykładem są takie badania, no już takiej ścisłej czołówki nagłówków gazet. Zapewne część słuchaczy kojarzy informacje o obrazach supermasywnej czarnej dziury w centrum Drogi Mlecznej albo w trochę dalszej galaktyce, to w tych badaniach też brali udział Polacy, między innymi pan Maciej Wielgus albo pani Monika Mościbrodzka. I również istotne dane do tych badań dawały instrumenty Europejskiego Obserwatorium Południowego. To tylko kilka takich przykładów.

Czy można prowadzić te badania z Polski, w tym sensie, że niekoniecznie trzeba być na miejscu, tylko trzeba przekazać instrukcje co, kiedy, gdzie obserwować i wpisać się w kolejkę tych obserwacji?

Są dwa sposoby obserwowania. Jeden jest tradycyjny, czyli astronom wygra czas obserwacyjny na tym teleskopie, pojedzie do teleskopu, siedzi tam dzień, dwa, tydzień, ile dostał tego czasu. Prawdopodobnie sam nie będzie tam klikał, tym sterował, tylko pracownicy, astronomowie, którzy tam pracują, będą to wykonywali zgodnie z jego sugestiami. Jak już go podszkolą, to być może sam trochę też będzie obsługiwał. To jest taki standardowy sposób. Natomiast coraz częściej stosowany obecnie sposób jest taki, że wygrałem czas obserwacyjny, mam projekt, ale mogę się łączyć zdalnie. Tam przy takim dużym teleskopie zawsze musi być człowiek. To nie może być tak, że on samodzielnie wszystko robi. Robotyczne teleskopy, które samodzielnie pracują, to są dużo mniejsze. A tu jest za duża konstrukcja, zbyt wiele warta, żeby zostawić bez nadzoru człowieka. Natomiast obserwacje w określonym czasie byłyby prowadzone z pomocą kogoś z pracowników. My jesteśmy online i sterujemy tym online. Jest jeszcze, jakby taki trochę trzeci tryb obserwacji, gdzie dostaliśmy czas obserwacyjny, ale dla nas nie jest akurat ważne, że to musi być tego dnia o tej godzinie zaobserwowane. Bo to jest jakiś rodzaj obiektu, który nie zmienia się tak często, więc to może być dzisiaj, a może być za trzy dni, a może być za miesiąc. I wtedy wchodzimy w taki jakby trochę automatyczny tryb. Czyli jeżeli w danej chwili teleskop ma wolny czas, bo nic innego nie obserwuje, to będzie przejeżdżał na taki obiekt, który czeka w kolejce, jego zaobserwuje, a potem wraca do innego zadania. I w ten sposób też możemy pozyskać dane obserwacyjne.

A jak duże lub krótkie mogą być te okna obserwacyjne? Na jak długi czas warto go przesuwać i ustawiać? Czy mogą być takie obserwacje, które zajmują dosłownie kilka minut, czy godzinę? Czy to są obserwacje wielogodzinne, wielodniowe?

To zależy od tego, co chcemy uzyskać z tych obserwacji. Są takie, które mogą trwać pięć minut. To czas zbierania danych, bo samo jakby najechanie teleskopu na obiekt i tak dalej, to pewnie zajmie kolejnych kilka minut. Natomiast są takie, w których powiedzmy mamy dziesięć minut obserwacji, takie, w których potrzebujemy godzinę być na obiekcie, czyli zbierać światło z niego przez godzinę albo jednorazowo, albo łączyć na przykład dziesięć minut, kolejne dziesięć minut, kolejne dziesięć minut i sumujemy ten sygnał. I są takie projekty obserwacyjne, gdzie musimy to wykonywać przez wiele, wiele dni. Oczywiście nie dzieje się to wtedy non stop, tylko obserwujemy pewien czas, potem w któryś kolejny dzień znowu teleskop obserwuje ten obiekt przez pewien czas i to się wszystko sumuje i łączy.

I potem na tej podstawie powstają publikacje naukowe. Albo nie, jeśli się nic nie okaże. Czy to możliwe, żeby się nic nie okazało?

To też możliwe. Pisząc projekt chcemy coś uzyskać, ale to nie znaczy, że to na pewno będzie, na pewno to zaobserwujemy, na pewno to się wydarzy. Może być tak, że jako naukowiec obserwujemy coś, a nie wyjdzie nic z tego, co myśleliśmy. Czasem z kolei wyjdzie coś innego. My chcieliśmy zaobserwować coś, a przypadkiem odkryliśmy coś innego.

Jak długo się czeka w kolejce na czas na tym teleskopie? Jak rozumiem, im dłuższy czas chcemy tam zarezerwować, tym czas oczekiwania też jest dłuższy, bo na krótsze przedziały czasowe pewnie łatwiej wskoczyć.

Sytuacja wygląda w ten sposób: tam przychodzi wniosków obserwacyjnych na kilkakrotnie więcej czasu, niż jest fizycznie w roku dostępne dla teleskopu. Więc jest olbrzymia konkurencja. Te wnioski są oceniane przez odpowiednie komisje recenzentów, czyli specjalistów z danej dziedziny, czy taki wniosek jest sensowny, czy ma szansę powodzenia i tak dalej. Wiadomo, tak jak to pan powiedział, im więcej czasu na teleskopie chcemy, tym trudniej takie coś dostać. Teleskop ma kilka instrumentów, które zbierają te dane, bo samo zwierciadło nam tylko zbiera to światło, kumuluje, odbija. Natomiast tam na końcu tej drogi światła jest jakiś instrument, który to rejestruje, albo spektrograf, albo coś, co robi zdjęcie, albo coś, co mierzy jasność. Takich instrumentów jest kilka i to potem też zależy, który z nich my potrzebujemy, czy potrzebujemy do dużej rozdzielczości spektrografii, czy niskiej rozdzielczości, bo na niektórych instrumentach jedne są bardziej oblegane, inne trochę mniej. Natomiast same konkursy na te wnioski obserwacyjne są zwykle raz, dwa razy w roku ogłaszane ze sporym wyprzedzeniem. Czyli załóżmy, że na przykład teraz byłby konkurs, no to on pewnie byłby gdzieś mniej więcej na obserwację zaczynający się za pół roku. Natomiast wszystkiego się nie da przewidzieć, bo w astronomii się pojawiają zjawiska takie nieprzewidywalne, nagłe, więc pewien czas takich teleskopów jest też przeznaczony właśnie na takie chwilowe, tymczasowe zjawiska, albo jest to czas taki w gestii dyrektora danej placówki, albo są takie specjalne tryby wnioskowania.