Mały może więcej… Popularne ongiś powiedzenie przypomnieli polscy fizycy. Zadziwili świat odkrywając na niebie zjawisko nieosiągalne dla ogromnych teleskopów. Użyli do tego urządzenia o średnicy… 71 mm.

Błysk inny niż wszystkie

Mariusz Karwowski

Zespół pracujący nad projektem „Pi of the Sky”.

Aparatura „Pi of the Sky”

Nad pustynią Atacama w Chile panowała właśnie głęboka noc. W Warszawie dzień budził się do życia. Katarzyna Małek z Centrum Fizyki Teoretycznej PAN odliczała powoli czas do końca swojego dyżuru. Spojrzała na zegarek. Było kilka minut po siódmej. Na ekranie komputera zobaczyła informację o wykryciu na niebie nowego obiektu. Niby nic takiego, każdej nocy aparatura wykrywa ich przynajmniej kilka, a obserwowane „błyski” pochodzą najczęściej od… przelatujących satelitów bądź samolotów. Ale ten akurat alarm nie był fałszywy. Lech Wiktor Piotrowski, doktorant z Instytutu Fizyki Doświadczalnej Uniwersytetu Warszawskiego, jeszcze przed wyjściem z domu na uczelnię przystąpił do analizy zdjęć. Nie dowierzał własnym oczom. Korzystając z komunikatora internetowego, szybko poprosił o weryfikację swojego promotora prof. Aleksandra Filipa Żarneckiego. Wysłał też maile do pozostałych osób uczestniczących w projekcie „Pi of the Sky”. Efekt był ten sam.

– Mimo wieloletnich obserwacji błysków gamma, czuliśmy, że ten ma naprawdę wyjątkowy wymiar. Jego źródło, jak się później dowiedzieliśmy, znajdowało się 7,5 miliarda lat świetlnych od Ziemi. To mniej więcej połowa rozmiarów wszechświata! Było to najbardziej odległe zjawisko kosmiczne widoczne gołym okiem. I to przez prawie pół minuty. Jednocześnie był to też błysk najjaśniejszy w historii, a przy tym pierwszy zaobserwowany optycznie od samego początku – Lech Piotrowski nie kryje ekscytacji. I dodaje: – Dzięki wspólnej akcji kilkunastu teleskopów, w tym „Pi of the Sky”, zmierzono poświatę w różnych skalach czasowych i obszarach widma. Po raz pierwszy udało się zebrać tak dokładne dane.

POMÓGŁ ŁUT SZCZĘŚCIA

Wieści o błysku oznaczonym symbolem GRB080319B (B, gdyż był drugim zarejestrowanym tej nocy) obiegły cały świat. Od początku eksperymentu mijało 5 lat i w tym czasie udało się zaobserwować na niebie podobne zjawiska, jak choćby gwiazdy rozbłyskowe, gwiazdy nowe czy blazary, ale tak jasnego rozbłysku – jeszcze nigdy. Tymczasem, jak opowiadają zaangażowani w projekt doktoranci i pracownicy Wydziału Fizyki UW, błyski gamma należą do najbardziej energetycznych we wszechświecie. Mają jasność biliona Słońc. To sprawia, że nie da się ich porównać z poznanymi już procesami, badanymi w warunkach laboratoryjnych.

– Na razie obserwować możemy jedynie zewnętrzne efekty wybuchu, czyli promieniowanie gamma, rentgenowskie, widzialne i radiowe. Nie daje nam to jednak pełnego wglądu w istotę zjawiska. Dodatkowo, poszczególne błyski często bardzo różnią się od siebie. Udało się już ustalić wiele cech wspólnych, ale pozostaje ciągle mnóstwo niewyjaśnionych odmienności – tłumaczy Lech Piotrowski.

Promieniowanie gamma, emitowane przez błyski gamma, nie dociera do powierzchni Ziemi. Jedynym sposobem wykrycia go w przestrzeni kosmicznej są krążące po orbicie satelity, które posiadają wprawdzie ogromne pole widzenia, dużą czułość, ale przy tym, niestety, stosunkowo małą precyzję określania, z jakiego kierunku nadszedł błysk. W ciągu tygodnia pojawiają się średnio trzy błyski. Po ich wykryciu satelita wysyła informację ze współrzędnymi do urządzeń naziemnych. Dopiero wówczas obracają się one w tym kierunku i rozpoczynają obserwacje. To opóźnienie, w przypadku błysku GRB080319B zostało pokonane. Algorytm rozpoznawania błysków wykrył GRB (z ang. Gamma Ray Burst) automatycznie po tym, jak dokładnie o godzinie 7:12:47 czasu polskiego detektor „Pi of the Sky” rozpoczął dziesięciosekundowe naświetlanie pierwszego zdjęcia, na którym pojawił się nowy obiekt. Pierwszy znaczący sygnał promieniowania gamma, działający od prawie 3 lat satelita SWIFT, będący obecnie podstawowym źródłem informacji o błyskach, odebrał 2 sekundy później. Po kolejnych 2 sekundach rejestrację pierwszego zdjęcia z nowym obiektem rozpoczął konkurencyjny teleskop „Raptor”. Po następnych 14 sekundach sam szczyt rozbłysku sfilmowała kamera jeszcze innego eksperymentu optycznego – „Tortora”. Po chwili w tym kierunku zwrócone już były setki teleskopów na Ziemi.

– Mieliśmy sporo szczęścia, bo błysk znalazł się akurat w polu widzenia detektora „Pi of the Sky”. Gdyby stało się inaczej, obserwacje optyczne byłyby opóźnione w stosunku do obserwacji promieniowania gamma. Takie szczęście zdarza się raz na kilka lat – mówi Piotrowski.

Cierpliwość uczestników projektu niejednokrotnie już zresztą była wystawiana na próbę. Jeszcze w czasie testów prototypu kamery CCD w podwarszawskim Brwinowie przez nieuwagę spalono cenny chip. Także potem, już w czasie pracy detektora w Chile, zdarzały się komplikacje. Urządzenie dostępne jest wyłącznie zdalnie, przez Internet. Kiedyś, w środku nocy, wystąpił problem z komputerem, a zaspany „wachtowy” zresetował nie ten komputer, co trzeba.

Ale wczesnym rankiem 19 marca wszystko poszło w zapomnienie. Nowatorska koncepcja eksperymentu, który powstał z inspiracji nieżyjącego już prof. Bogdana Paczyńskiego, obroniła się pionierskim zapisem błysku już od momentu jego powstania, a nawet chwilę wcześniej. Zresztą, aparatura – co należy podkreślić – opracowana i skonstruowana w całości w Polsce, w laboratoriach Politechniki Warszawskiej, PAN, Instytutu Problemów Jądrowych i Uniwersytetu Warszawskiego, miała za swój podstawowy cel rejestrowanie właśnie błysków tak jasnych, że można je zobaczyć jedynie małymi kamerami, a nie dużym teleskopem. Co więcej, miała odkrywać rozbłyski zupełnie niezależnie od satelity, który służyłby jedynie do weryfikacji, czy zarejestrowane optycznie zjawisko to w rzeczywistości GRB.

– Ten błysk był tak jasny, że większe teleskopy były dosłownie oślepione. Tylko małe przyrządy mogły zaobserwować wczesną, jasną poświatę. Nasz „Pi of the Sky” był odpowiednim instrumentem we właściwym miejscu i czasie – tłumaczy Piotrowski.

WIDZIANO CZARNĄ DZIURĘ?

Mój rozmówca wyjaśnia, że wśród błysków gamma wyróżnia się długie, trwające powyżej dwóch sekund, do których należał właśnie GRB080319B oraz krótkie, nie dłuższe niż dwie sekundy, a przy tym znacznie twardsze. Powstawanie krótkich błysków najczęściej wiązane jest ze zderzeniem dwóch małych i ciężkich obiektów, takich jak choćby dwie gwiazdy neutronowe czy też gwiazda neutronowa i czarna dziura. Z kolei długie błyski powstają prawdopodobnie w momencie, gdy hipernowa, czyli gwiazda o masie powyżej 20 mas Słońca, wybucha, wyrzucając swoje zewnętrzne warstwy, podczas gdy wnętrze zapada się do czarnej dziury. Czy zatem tej nocy, 7,5 miliarda lat świetlnych stąd, mieliśmy do czynienia z takim właśnie zdarzeniem? Co spowodowało tak wyjątkową eksplozję?

– Rzeczywiście, aktualnie błyski gamma najłatwiej wyjaśnić przyjmując, że w trakcie wybuchu powstaje czarna dziura. Jednak nie jest ona bezpośrednio obserwowana. Póki co, ciągle tylko przypuszczamy, co jest głównym mechanizmem eksplozji. Ważne okazało się potwierdzenie, że emisja optyczna jest skorelowana w czasie z emisją gamma, nie jest to więc, jak to było do tej pory, po−świata, czyli zanikające promieniowanie z miejsca wybuchu, a raczej współ−świata. Aby „spojrzeć głębiej” potrzebujemy nowych technik, np. obserwacji neutrin, które mogą być produkowane wcześniej niż promieniowanie elektromagnetyczne – dodaje Piotrowski.

Możliwości odkrywcze ogranicza jednak w dużym stopniu to, że cały eksperyment realizowany jest na urządzeniu prototypowym. Składa się ono z dwóch kamer przypominających cyfrowe aparaty fotograficzne, umieszczonych na obrotowej platformie, pozwalającej skierować teleskop w zadanym kierunku. Każda kamera zawiera chip CCD o rozdzielczości 4 milionów pikseli, ale o parametrach dużo lepszych niż w zwykłych aparatach. Mają m.in. większą czułość, pozwalającą na rejestrowanie nawet pojedynczych fotonów. Do tego dołączony jest wysokiej klasy obiektyw fotograficzny Canon.

– Skonstruowane przez nas specjalne kamery CCD pozwalają na bardzo szybki odczyt zarejestrowanej klatki przy niskim poziomie szumu. Konstrukcja kamer w ramach budżetu, jaki mamy do dyspozycji, to prawdziwy majstersztyk! Ale to jeszcze nie wszystko. Stworzone przez nas specjalne migawki pozwalają na ponad milion otwarć, czyli kilkakrotnie więcej niż migawki komercyjne – zachwala Piotrowski.

Prototyp uruchamia się po zapadnięciu chilijskiej nocy. Po schłodzeniu elementów CCD do temperatury około −10°C (co znacząco zmniejsza szumy elektroniki), rozpoczyna ciągłe fotografowanie nieba z czasem ekspozycji 10 sekund. Kamery podążają za polem widzenia satelity SWIFT, a jeżeli to pole znajduje się aktualnie pod horyzontem, nakierowywane są na inne interesujące miejsca. Polski detektor może obserwować dowolny wycinek nieba o wielkości 20,7 × 20,7°, widoczny wszakże z południowej półkuli. W ciągu doby pojawia się od dwóch do trzech tysięcy zdjęć z każdej kamery. Klatki, jeszcze zanim zostaną zapisane na dysku, poddawane są szybkiej analizie on−line. Szczegółowa dokonywana jest już po zakończeniu całonocnej obserwacji.

– Cała konstrukcja sterowana jest komputerowo i dopiero napisanie odpowiedniego oprogramowania jest w stanie ją ożywić. System został wyposażony w sztuczną inteligencję. Nauczenie samodzielnego radzenia sobie z większością problemów wymagało wiele pracy nad systemem, jednak dzięki temu rzadko wymaga on interwencji czynnika ludzkiego. „Pi of the Sky” to w praktyce robot, który potrafi pracować przez długi okres bez nadzoru człowieka – mówi Lech Piotrowski.

Niemniej raz w roku jedna osoba wysyłana jest do Chile w celu konserwacji sprzętu. Elektronika nie zawsze wytrzymuje zmieniające się warunki atmosferyczne czy nagłe awarie zasilania. Obserwatorium Las Campanas to duży ośrodek amerykański, należący do Carnegie Institution of Washington, położony w samym środku kamienistej pustyni, wysoko w Andach.

– To doskonałe miejsce do obserwacji astronomicznych. Jest oddalone od miejskich zabudowań, dzięki czemu panuje duże zaciemnienie, a to ułatwia patrzenie na gwiazdy. Poza tym zdecydowana większość nocy w roku jest tam bezchmurna, a wysokie położenie wiąże się z małą wilgotnością powietrza, co ma z kolei kolosalne znaczenie dla aparatury astronomicznej – wyjaśnia Piotrowski.

MILIONY ZDJĘĆ

W przypadku awarii czy jakiejkolwiek nieprawidłowości, system powiadamia o tym SMS−em bądź mailem osobę pełniącą dyżur w Warszawie. To zdarza się jednak sporadycznie. Codziennie trzeba za to przeglądać zdjęcia fragmentów nieba. Pierwsze zapisy pojawiły się 5 lat temu. Zrobiono już w sumie około 3 milionów zdjęć, z których każde przekracza po kompresji 4 MB. Aby nie dopuścić do przepełnienia dysków, po kilku dniach zwykłe klatki są kasowane, a obserwowane gwiazdy katalogowane i umieszczane w bazie danych.

– Zawiera ona już prawie 2 miliardy pomiarów około miliona gwiazd. Mogą z niej korzystać astronomowie w całej Polsce i na świecie. Intensywnie współpracujemy np. z Katedrą Astronomii Akademii Pedagogicznej w Krakowie. „Pi of the Sky” zgromadziło jedną z największych publicznie dostępnych baz danych, przynajmniej w Warszawie. Obecnie jesteśmy w trakcie uruchamiania bazy danych DB2 Enterprise, otrzymanej dzięki współpracy z IBM Polska – informuje Piotrowski.

Danych będzie przybywało, bo i sam projekt jest w fazie udoskonalania. To konieczność w obliczu ciągłej konkurencji ośrodków prowadzących podobne eksperymenty naziemne i rywalizacji między nimi o to, aby zaobserwować błysk wcześniej i z większą rozdzielczością czasową niż do tej pory. Po zainstalowaniu pełnego systemu będzie się on składał z dwóch zestawów, po 16 kamer każdy, które dodatkowo będą rozchylane w taki sposób, żeby patrzeć na sąsiadujące wycinki nieba. Składanie nowej aparatury właśnie trwa.

– Nie chcemy wciąż liczyć na szczęście, dlatego rozbudowujemy „Pi of the Sky” tak, aby obejmował swoim polem widzenia większość widocznego obszaru nieba. Wyeliminuje to rolę przypadku, gdyż zawsze będziemy patrzeć w miejsce błysku, jeszcze przed jego wystąpieniem i będziemy gotowi na jego obserwację, o ile oczywiście wystąpi on na widocznej półkuli nieba i w nocy – dodaje Piotrowski.

Już teraz mówi się, że polski eksperyment może być przełomowy. Ogromne teleskopy obserwujące przez wiele godzin mały fragment nieba okazały się mało przydatne w poszukiwaniu błysków gamma. Za to „Pi of the Sky” o średnicy zaledwie 71 mm pokazał swój potencjał. Konstruowany właśnie nowy sprzęt pozwoli w całości pokryć pole widzenia satelity SWIFT czy szykowanego wkrótce do wystrzelenia GLAST. Dodatkowo dwa zestawy kamer będą obserwować ten sam wycinek nieba z miejsc oddalonych o kilkadziesiąt kilometrów. Zaletą takiego rozwiązania jest możliwość wykrywania błysków krótszych niż 10 sekund.

– Kiedy nasi szefowie rozmyślali nad tym projektem, wielką niewiadomą było nie to, jak zbudować taki detektor, ale czy uda się go stworzyć w Polsce. Zastanawiali się, czy dysponujemy dostateczną wiedzą, zapleczem technicznym, wreszcie – czy potrafimy to wszystko zorganizować i udźwignąć ciężar odpowiedzialności za tak skomplikowane przedsięwzięcie. Dzisiaj wiadomo już, że odpowiedź na te pytania jest twierdząca i już samo to jest bardzo poważnym osiągnięciem – z optymizmem kończy Lech Wiktor Piotrowski.