Astronomia pod strzechy XIII bis – o precyzji w astronomii

Pewnie myślisz, Czytelniku, czy to nie jakieś masło maślane. I trochę nim jest – astronomia, w szczególności teleskopy astronomiczne, słyną z tego że są precyzyjne. Anglicy mówią state of the art – dzieło sztuki, precyzji i techniki ludzkiej. Unaocznieniu precyzji jaką władają instrumenty astronomiczne służą różnorakie porównania, nieraz spotykane w innych szczegółowych artykułach popularyzatorskich z zakresu fizyki i astronomii więc nie będę ich tu ponownie przytaczał.

Kiedyś zrobił na mnie wrażenie test z odbłyśnikami laserowymi na Księżycu – ledwie 30 średnic Ziemi od nas. A teraz? Postęp technologiczny instrumentarium naukowego jest analogiczny do prawa Moore’a dla komputerów. Przypomnijmy, że prawo to sformułował jeden z założycieli Intela, Gordon Eagle Moore, a mówi ono o tym iż prędkość pojedynczej CPU(więc albo procesora, albo węzła obliczeniowego) podwaja się co 2,1 roku. Prawo to jest zatem twierdzeniem o logarytmicznym przyroście prędkości procesorów i jest od kilkudziesięciu lat spełnione. Odpowiednikiem prędkości procesora w astronomii jest czułość i rozdzielczość instrumentu i krotność jego przewagi nad precyzją ludzkiego oka.


Prawo Moore’a zilustrowane przez ourworldindata.org
jako liczba tranzystorów na jednym układzie scalonym w zależności od roku.

Co robi większe wrażenie – przyrost czułości czy rozdzielczości? Jeden Jansky– miara jasności radioźródeł – to 10^-26 W/m^2. Czyli 0.000000000000000000000000000007 stałej słonecznej dla Ziemi, wynoszącej – przypomnijmy – około półtora kilowata na metr kwadratowy jej powierzchni (pod warunkiem, że Słońce jest dla niej w zenicie). Mimo to, radioastronomia ma sie dobrze bo obiekty emitujące takie promieniowanie wysyłają je w innym paśmie i są do tego bardzo energetyczne (duże i jasne). Z kolei rozdzielczości osiągane przez ALMA i interferometr VLBI sięgają mikrosekund łuku czyli 10000000 razy mniej niż granica możliwości ludzkiego oka. Co powiesz, Czytelniku, na jasność otoczenia czarnej dziury? A najjaśniejsze w znanym nam do tej pory Wszechświecie galaktyki? Wszystko to od niedawna precyzyjnie obserwujemy, opisujemy liczbowo, falsyfikując kolejne prawa fizyki. Także to o niepowtarzalności życia na Ziemi która w Kosmosie jest małą planetą otoczoną tlenową atmosferą, krążącą w ekosferze przeciętnej gwiazdy…

Przystanek Mozumi w pobliżu kopalni Kamioka mieszczącej detektor KAGRA.
Zdjęcie: Govert Schilling, Sky and Telescope.

Weźmy jedno z ostatnich odkryć – planeta super-ziemiaorbitująca wokół Strzały Barnarda, nieodległej (jakieś 6 lat świetlnych od Słońca) zatem i prędko przemieszczającej się po niebie gwiazdy (w tempie rzędu 10” kątowych rocznie). Sama gwiazda porusza się względem Słońca z prędkością około 500000 km/h, prędzej niż jakakolwiek sonda. A efekt dynamiczny wnoszony przez planetę wynosi… 3 km/h, czyli krok niespiesznego piechura. Mniej niż 1/100000 prędkości dryfu całego układu w stosunku do położenia Układu Słonecznego w lokalnym środowisku najbliższych Słońcu gwiazd.


Położenie Gwiazdy Barnard’a w 2006 roku. Źródło: Wikipedia, public domain.

Niezwykłe odkrycia zawdzięczamy najlepszej precyzji. Jej granice też ulegają przesunięciu – 30 lat temu w podręcznikach czytałem, iż maksymalna zdolność rozdzielcza teleskopu naziemnego wynosi około 1” a zatem budowa teleskopu o mniejszym krążku dyfrakcyjnymjest czystym marnotrawstwem. Co z tej “mądrości” zostało gdy paręnaście lat później nauczono się stosować aktywną optykę (tym razem dzięki spełnieniu prawa Moore’a dla komputerów i wynalazkowi tzw. zwierciadeł segmentowych)?

Komora japońskiego eksperymentu z zakresu fal grawitacyjnych KAGRA,
zdjęcie – Christopher Barry.

Przykładem zaprzeczenia tej regule „niemożności” są np. interferometry radiowe (a ostatnio także optyczne) z instrumentami „rozstrzelonymi” po całej kuli ziemskiej. Albo LIGO. Ogólna Teoria Względności czekała ponad 100 lat na potwierdzenie słuszności wniosku Einsteina o istnieniu fal grawitacyjnych. Szacowano “z góry” amplitudę tych fal, dopieszczano algorytmy, poprawiano instrumenty i… w końcu się udało! Już niedługo ruszy japońskie LIGO zwane w skrócie KAGRA (Kamioka Gravitational Wave Detector). Trzy pozostałe detektory (LIGO-Hanford i Louisville oraz europejskie VIRGO) będą mogły weryfikować swoje ustalenia w niezależnym pomiarze i jeszcze lepiej lokalizować pozycję na niebie, jak również odległość coraz liczniej obserwowanych źródeł fal grawitacyjnych (o czym już też kiedyś było).

Tunel detektora fal grawitacyjnych KAGRA. Zdjęcie: Govert Schilling.

Co mówić o czarnej dziurze w środku naszej Galaktyki której już niemalże (by użyć porównania z końskich targów naszych dziadków) “zaglądamy do pyska”? Jedynym ograniczeniem są prawa fizyki, ale już śledzimy zmienności związane z ruchem obiektów niebieskich (jak choćby obłoków gazowych czy pojaśnień dysku akrecyjnego wokół Sgr A*) porównywalne z prędkością światła. Dla czarnych dziur czy kwazarów istotna jest rozdzielczość – słabe obiekty czy promieniowanie tła to z kolei domena kosmologii. Tam mamy do czynienia z innym horyzontem – tym zewnętrznym, ilustrującym fakt że nie widzimy całego Wszechświata a jedynie jego wycinek z którego światło podróżuje do nas krócej niż jego wiek – czyli około 13.7 mld lat. Poza nim istnieje strefa dla nas niedostępna. Do czasu przynajmniej, zanim jakiś ignorant nie zapomni o tym i tam bezczelnie, dalej, nie sięgnie. Mam takie poczucie czeluści – i we Wszechświecie, i w czarnej dziurze, choćby i gwiazdowej. I póki nikt nie przekroczy tej bariery, hipotezy S. Hawkinga (jak choćby ta o korytarzach korników, wormholes, w czasoprzestrzeni) będą czekać na doświadczalną weryfikację. A dzisiejsze paradoksy będą przyjmowane z pobłażliwym uśmieszkiem którym kwituje się “rewelacje” sprzed 50-100 lat. To już bardziej czekamy na otwarcie archiwów a o nauce i jej odkryciach sami chętnie poczytamy.

Stanisław Lem (1921-2006), dla mojego pokolenia prawdopodobnie
najwybitniejszy polski pisarz science-fiction.

Zdjęcie: Lucjan Fogiel / East News.

Ale każda epoka ma swoich proroków – pisarzy science-fiction, futurologów aby potem – wynalazcy i technicy sprawnie wdrożyli nowe pomysły w życie. Czasem już po 20 latach od napisania rewolucyjnej powieści science-fiction skłonni jesteśmy uznać że domieszka fikcji znacznie się zmniejszyła. Starczy posłuchać naszych rodziców i popatrzeć jak bardzo ich “nie da się tak, uważaj” jest podważane przez dzieci, wnuki… A to co mam w głowie od dzieciństwa jako nieśmiałe “co by było, gdyby” właśnie się realizuje, funkcjonuje jako czyjś patent, gotowy produkt rozpowszechniany w systemie door-to-door czy rozwiązanie pro publico bono.

Centralne pomieszczenie w kopalni Kamioka obłożone plastikową folią
w celu ochrony przed cieknącą wodą. Zdjęcie: Govert Schilling.

I tak, jak zarzewiem pozostają fantaści czy naukowcy, tak po jakimś czasie rzecz trafia do ludzi i mówimy o postępie. Pozostaje zagadnieniem otwartym jego etyczna strona – by wymienić tu choćby przerażenie Einsteina po uświadomieniu sobie, że jego kochana Teoria Względności opisuje produkcję bomb A czy H, zdolnych zniszczyć miasto (lub średniej wielkości kraj) w jednym wybuchu. W zasadzie każdy wynalazek może być użyty dla dobra lub przeciwko drugiemu człowiekowi – odpowiedź tkwi w naszych sumieniach

Inny fragment centralnego pomieszczenia eksperymentu KAGRA. Zdjęcie: Govert Schilling.

A swoją drogą, trzeba podziwiać praktyczny zmysł Japończyków – skończyli eksplorację detektorem neutrin to wzięli i wybudowali obserwatorium fal grawitacyjnych. Użyli fortelu aby jedną kopalnię Kamioka wykorzystać w dwóch różnych eksperymentach naukowych. Tak wygląda porządne gospodarowanie zasobami (już pomijam fakt że wcześniej coś-tam wydobywano) albo recykling w służbie nauki – niech Im (Japończykom) będzie chwała.

Poprzedni eksperyment w kopalni Kamioka, tzw. SuperKamiokaNDE – detektory promieni kosmicznych zanurzone w zbiorniku ze specjalnym płynem (składem przypominającym płyn do mycia naczyń) do wykrywania oscylacji neutrin. Zdjęcie – Physics.org, za Kamioka Observatory, ICRR (International Cosmic Ray Research), University of Tokyo.

Marcin „Doktorek” Kolonko
PTMA Kraków
Za “Science Daily”, „Sky and Telescope” i (zdjęcie) Christianem Barry.

Dodaj komentarz

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.