O kosmosie, teleskopach, detektorach, najlepszych miejscach do obserwacji i nowych odkryciach oraz o tym, dlaczego warto zadzierać głowę podczas wieczornych spacerów – mówi dr hab. Marek Nikołajuk, prof. UwB z Wydziału Fizyki Uniwersytetu w Białymstoku. Jest też kilka słów o ważnej współpracy astronomów i Mikołaju Koperniku, który bez teleskopu wstrzymał Słońce.

W roku Mikołaja Kopernika i z okazji Dnia Nauki Polskiej (którego data – 19 lutego -  nawiązuje do urodzin wielkiego astronoma) znów uważniej patrzymy w niebo. I wielu z nas znów zastanawia się, jak w XVI wieku, bez teleskopu, Kopernik „wstrzymał Słońce i ruszył Ziemię”.

Dr hab. Marek Nikołajuk, prof. UwB z Pracowni Astronomii i Astrofizyki na Wydziale Fizyki Uniwersytetu w Białymstoku: Zrobił to w bardzo prosty sposób i to jest właśnie piękne w nauce i astronomii, że niektóre rzeczy możemy wyznaczyć bardzo prostymi narzędziami, a przy okazji zrewolucjonizować myślenie i świat. Tak właśnie było w przypadku Mikołaja Kopernika. Żył w trudnych naukowo czasach, ponieważ teoria heliocentryczna nie była zbyt mile widziana. Miała spore grono przeciwników. Po opublikowaniu dzieła „O obrotach sfer niebieskich” (De revolutionibus orbium coelestium), okazało się jednak, że Kopernik wstrzymał Słońce i ruszył Ziemię. W jaki sposób? Na dachu budynku, w którym mieszkał, zrobił taras, na którym ustawił kilka drewnianych przyrządów astronomicznych. A były to bardzo proste przyrządy, np. linijka Ptolemeusza. To narzędzie do wyznaczania kątów między ciałami niebieskimi. Kopernik używał też astrolabium do wyznaczenia współrzędnych tych ciał na niebie. Długo prowadził swoje badania, ale doszedł do wniosku, że w centrum Układu Słonecznego jest Słońce, a Ziemia i inne planety obiegają Słońce po orbitach. Kopernik założył, że są to orbity kołowe. Ta hipoteza wpisywała się w jego obserwacje. Później została ona udoskonalona przez Johanna Keplera, który orbity kołowe zastąpił orbitami eliptycznymi, czyli elipsami. 

Jak teraz obserwuje się wszechświat, kosmos? Jakimi narzędziami dysponują astronomowie?

Wśród astronomów popularna jest opinia, że obecne czasy, czyli II połowa XX wieku i początek XXI wieku to złoty wiek astronomii obserwacyjnej. Jest bowiem bardzo dużo narzędzi do obserwacji nieba i to w całym zakresie promieniowania elektromagnetycznego. Astronomia wykiełkowała z astronomii optycznej, czyli z tego co my widzimy, w optycznym zakresie fal elektromagnetycznych. Później okazało się, że jest jeszcze podczerwień (wyczuwamy ją jako ciepło przy ognisku lub przy kaloryferze) i że niektóre obiekty niebieskie świecą również w podczerwieni. Są też obiekty, które świecą w ultrafiolecie, z którym mamy do czynienia np. opalając się na plaży.  Nie brakuje również obiektów, które święcą, wysyłając fale radiowe albo - jak kuchenki mikrofalowe - promieniowanie mikrofalowe. Wiemy też o źródłach bardzo energetycznych, które produkują promieniowanie rentgenowskie albo promieniowanie gamma.
My posiadamy urządzenia, np. detektory do badania całego kosmosu. Oczywiście najbardziej powszechne są teleskopy. Duże, profesjonalne teleskopy o średnicy zwierciadła 10, 11 metrów, znajdują się np. w Chile i na Hawajach. Obecnie w Andach Chilijskich na górze Cerro Armazones (3046 m n.p.m) budowany jest bardzo duży teleskop o średnicy zwierciadła 40 metrów. Będzie to olbrzymie urządzenie, wysokie jak wieża Eiffla. Budowniczym jest the European Southern Observatory. Jest to międzynarodowa organizacja zrzeszająca głównie europejskie kraje, a Polska jest jej pełnoprawnym członkiem od 2015 roku. To organizacja, która posiada wiele teleskopów. Większość urządzeń obserwacyjnych znajduje się w Chile, gdzie ESO wykupiło 627 km kw. ziemi.  

Czyli przed naukowcami ciekawe i ważne obserwacje. Może nowe odkrycia?

To jest możliwe. Rok temu została zakończona dziesięcioletnia budowana Teleskopu Kosmicznego im. Jamesa Webba. Został on wystrzelony poza orbitę Księżyca i teraz tam obserwuje kosmos. Za jego pomocą obserwujemy atmosfery planet (co było nie do pomyślenia kilkanaście lat temu) odległych o 1200 lat świetlnych od nas (rok świetlny to odległość jaką światło przemierza przez cały rok). Dzisiaj możemy nawet analizować skład chemiczny atmosfer dalekich planet.

Na razie pozostańmy bliżej Ziemi. W Obserwatorium Astronomicznym Uniwersytetu w Białymstoku stoi teleskop ASA 600, którego zwierciadło ma 60 cm średnicy. Jakie daje to możliwości obserwacyjne?

To jest standardowy i profesjonalny teleskop odpowiedni na warunki polskie, na tę atmosferę i na to zachmurzenie. Większych teleskopów w Polsce nie potrzebujemy, choć oczywiście takie są. Większe o 10 cm urządzenie znajduje się np. w Obserwatorium Astronomicznym w Piwnicach pod Toruniem. Nasz teleskop ma 60 cm, podobnie jak ten znajdujący się w Warszawie czy Krakowie.
Co można takim teleskopem obserwować? Naprawdę wiele zjawisk i obiektów. Można nim obserwować niebo w każdej nadarzającej się chwili. Nie trzeba czekać na czas obserwacyjny narzucony przez odpowiednią komisję, tak jak to jest przy dużych teleskopach. Kiedy tylko pogoda pozwoli, obserwujemy. Co ważne, ten teleskop może wejść w kooperacje z innymi, takimi samymi, czy nawet mniejszymi teleskopami, rozsianymi po całej Europie, ale nie tylko. Za pomocą teleskopu, który posiadamy, można obserwować gwiazdy zmienne: te, które szybko migoczą i te, które zmieniają swój blask w ciągu tygodni, a nawet miesięcy. „Najciekawsze” są gwiazdy, których wcześniej nie widzieliśmy. Informację o pojawieniu się nowego zmiennego źródła daje astronomom Gaia - mały teleskop umieszczony na pokładzie satelity. Wysyła do nas informacje: słuchajcie ta gwiazda jest ciekawa i tamta jest ciekawa i tamta też jest ciekawa. Otrzymujemy całą listę. Dlaczego do obserwacji danego obiektu ważna jest sieć małych teleskopów? Bo jeżeli w Białymstoku jest zła pogoda, to może w Krakowie będzie odpowiednia albo np. w Pradze czy Wilnie. Głównym celem takiej sieci jest odkrywanie nowych zjawisk, w tym również czarnych dziur. Okazuje się, że jeżeli czarna dziura, która sama w sobie nie świeci, ale przechodzi przed nami, a w tle ma jakąś gwiazdę, która wcześniej była niewidoczna, to ta czarna dziura wzmocni światło od tamtej bladej gwiazdy, tak, że to światło będzie teraz widoczne na Ziemi. Oczywiście nasze obserwacje na UwB, to tylko mała składowa wielkiej kooperacji. Później te wszystkie pomiary trzeba zebrać w jedną całość. Nasz teleskop daje sporo możliwości, tylko jak zawsze przy projektach astronomii obserwacyjnej brakuje ludzkich sił.   

Wspomniał Pan o polskich warunkach, ale też wymienił Hawaje i Chile, gdzie ustawione są duże teleskopy. W których częściach świata obserwacja nieba jest najlepsza?

Idealne miejsce do obserwacji: musi być wysoko i sucho. Tak jest na Hawajach, które należą do Stanów Zjednoczonych. Szereg teleskopów ustawionych jest powyżej 4 tysięcy metrów n.p.m. na szczycie wygasłego wulkanu, by uniknąć chmur. Drugie ważne miejsce to właśnie Chile – a konkretnie pustynia Atakama, góra Cerro Paranal, plateau Chajnantor. Dobrym miejscem jest też płaskowyż Karru w RPA. Tam znajduje się, finansowany w 10 proc. przez Polskę, 10-metrowy teleskop, z którego także korzystają Polacy. Warto wymienić również stan Arizona w USA. To są najlepsze miejsca do obserwacji optycznych nocnego nieba. Natomiast oprócz badań optycznych, są jeszcze te, którymi zajmuję się ja. Otóż, jest to badanie relatywistycznych cząstek, bardzo energetycznych, wyrzucanych z okolic czarnych dziur czy gwiazd neutronowych. Takie cząstki są przyśpieszane i lecą w kosmos np. w kierunku Ziemi. Takie cząstki są widziane w bardzo szybkich błyskach, które trwają ok. 10-miliardowej części sekundy, więc ludzkie oko tego nie wyłapie. Potrzebny jest specjalny aparat fotograficzny, który będzie tak szybko robił zdjęcia. Buduje się również duże baseny wypełnione wodą, np. z domieszką argonu. I takie baseny umieszcza się na Ziemi, albo trochę pod Ziemią, albo głęboko pod Ziemią - w zależności od tego, co chcemy zaobserwować. I taka cząstka, jak wpadnie do takiej wody, to produkuje błysk światła. Dzięki temu wiemy, co to za cząstka, skąd do nas przybyła i o jakiej energii. Jeżeli tak jest, to możemy na przykład powiedzieć: aha, pochodzi z tej okolicy, gdzie znajduje się czarna dziura. I już wiemy więcej. Kolejne obserwatoria, które nie są zależne od negatywnego wpływu atmosfery, to obserwatoria fal grawitacyjnych. Chodzi o fale, które przechodzą przez Ziemię i powodują ruch detektorów. My możemy zobaczyć, że dana fala przyszła do nas z danego kierunku, na który teraz warto zwrócić uwagę.
Zawodowo, jak już wspomniałem, jestem związany z wysokoenergetycznymi cząstkami i fotonami gamma, ale również z promieniowaniem rentgenowskim. Promieniowanie gamma i rentgenowskie, które byłoby dla nas zabójcze, jest na szczęście blokowane przez atmosferę. Jeżeli chcemy spoglądać w niebo w zakresie promieniowania rentgenowskiego, to takie detektory umieszcza się na pokładach satelitów, albo np. na pokładzie Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. Polska jak najbardziej bierze w tym udział.  

Jest Pan członkiem Międzynarodowej Unii Astronomicznej, w której pełni Pan funkcję Sekretarza Polskiego Komitetu Narodowego. Do zadań Unii należy koordynowanie badań astronomicznych na świecie. Unia, jako jedyna na świecie, posiada również wyłączne prawo do nadawania nazw nowo odkrytym ciałom niebieskim. Jak często dochodzi do takich odkryć?

Jak już mówiłem, mamy teraz złoty wiek astronomii obserwacyjnej. Pojawiły się nowe możliwości, a jeżeli są nowe możliwości i nowe urządzenia, to również prawie że na masową skalę odkrywa się obiekty. Najczęściej są to galaktyki i nowe gwiazdy. Unia Astronomiczna, ale i ogólnie astronomowie, mają wielką chrapkę, żeby odkryć planetę wielkości Ziemi, leżącą gdzieś daleko. Najpewniej na tej planecie (takie jest nasze wyobrażenie) znajdziemy życie. Nie wiadomo, czy takie inteligentne życie, czy może życie bakteryjne. Są misje satelitarne, których celem jest odkrywanie w sposób masowy nowych egzoplanet, czyli planet leżących poza Układem Słonecznym.
Jako astronom i członek Unii chciałbym wspomnieć, że z powodu ilości projektów oraz obserwacji współpraca międzynarodowa jest obecnie bardzo ważna. Należę do takiego międzynarodowego konsorcjum Cherenkov Telescope Array, które liczy ponad 1200 osób. To konsorcjum jest podzielone na mniejsze grupy. Moja duża grupa to zespół polsko-szwajcarsko-czeski, która liczy ponad 100 osób (astronomów, programistów, inżynierów, elektryków). Nasze zadanie to budowa teleskopu do wychwytywania krótkich błysków, o których wspomniałem. Nowa technologia, nowe wyzwania. Z kolei nasza grupa jest podzielona na mniejsze - zadaniowe. Spotykamy się online i mój kolega Czech, uczy moją koleżankę Greczynkę, ta z kolei uczy mnie, a ja uczę koleżankę Hinduskę i Francuzkę. Potem spotykamy się wszyscy raz, dwa razy w tygodniu i przekazujemy wyniki swojej pracy. Mówimy, co należy zrobić, poprawić itp. Według mnie współpraca człowieka z drugim człowiekiem ponad podziałami i narodami jest kwintesencją astronomii i w szerszym kontekście wyznacznikiem ludzkości. Nie dlatego, że musimy. Dlatego, że chcemy i sprawia nam to frajdę. Sami nie osiągnęlibyśmy tego celu.

Na koniec kilka rad dla miłośników kosmosu – amatorów (których nie brakuje, patrząc choćby na popularność Planetarium UwB): od czego warto rozpocząć obserwację nieba? Od wieczornych spacerów?

Tak. Warto zacząć od wieczornych spacerów (ja też od tego zaczynałem), zadzierania głowy i patrzenia: o tutaj jest jakaś konstelacja. Można nawet kupić sobie bardzo prosty przewodnik po nocnym niebie, zobaczyć co tam jest ciekawego. Na pewno rzucą nam się w oczy Jowisz, Wenus, Mars i Saturn, a zwłaszcza te dwie pierwsze planety. Sugeruję też, by na taki spacer udać się za Białystok, gdzie łuna miasta będzie mniejsza. Tam, gdzie jest ciemniej, będzie piękniejsze niebo. Jeżeli kogoś stać, to proponuję kupić lornetkę – taką zwykłą jak np. do obserwacji ptaków. Ona ma tą przewagę nad teleskopem, że zbiera słabe światło – nie chcę tu wchodzić w szczegóły techniczne, ale jest to dobre narzędzie do oglądania rozproszonego światła. Za pomocą lornetki spokojnie możemy zobaczyć, nawet z Białegostoku, galaktykę M31, która jest trochę większą od naszej Drogi Mlecznej. Galaktyka M31 jest odległa o ponad 2 miliony lat świetlnych. Światło, które dziś od niej dociera, zostało wyprodukowane i wysłane do nas ponad 2 mln lat temu. Czy potrzebujemy czegoś większego do obserwacji? Oczywiście później można zaopatrzyć się w teleskop, który da możliwość zobaczenia pasów na Jowiszu, pierścieni Saturna, gromad kulistych gwiazd.