Kosmiczny wzrok

Szybko rodzi się ciekawość, jak te odległe cudeńka widać przez mocniejszy teleskop.

Pierwszy raz gwiazdy przez teleskop oglądał 400 lat temu Galileusz. Gdy próbował nakreślić mapę nieba, szybko się poddał, „przytłoczony ogromną liczbą gwiazd”, chociaż ograniczył się tylko do gwiazdozbioru Oriona. Dostrzegł góry na Księżycu, co podważyło przyjmowany wówczas pogląd, jakoby ciała niebieskie były zbudowane z nieziemskiego eteru. Prześledził ruch czterech jasnych księżyców krążących wokół Jowisza jak planety w miniaturowym Układzie Słonecznym – krytycy heliocentrycznego systemu kopernikańskiego uważali, że jest to fizycznie niemożliwe. Na podstawie obserwacji stwierdził też, że Ziemia nie jest dominującym elementem Wszechświata.

Wkrótce on i inni uczeni przystąpili do udoskonalania urządzeń przybliżających kosmos. Nie potrafiono jeszcze wytwarzać soczewek o dużych średnicach – jedynym sposobem na zwiększenie mocy i poprawę jakości obrazu było budowanie teleskopów jak najdłuższych. Tubus przyrządu złożonego w Gdańsku przez Jana Heweliusza miał 46 m długości. Wisiał na linach na słupie i kołysał się przy każdym podmuchu wiatru. Aby tego uniknąć, w Holandii bracia Huygensowie skonstruowali teleskop pozbawiony tubusu: soczewkę obiektywu zamocowali na platformie, a 60 m dalej ulokowali soczewkę okularu, przy której stawał obserwator. Niestety, takie instrumenty dawały niewyraźne obrazy planet i gwiazd, podsycając tylko pragnienie, by zobaczyć więcej.

Oczekiwania te spełnił teleskop zwierciadlany skonstruowany po raz pierwszy przez Isaaca Newtona. Do skupienia światła gwiazd w jednym punkcie wystarczyło tylko jedno precyzyjnie wyszlifowane zwierciadło. Metalowe zwierciadła szybko stały się popularne; William Herschel odlewał je w swym ogrodzie i w piwnicy – gdy pękła forma, musiał uciekać przed strumieniem płynnego metalu. Ryzyko i wysiłek opłaciły się jednak, bo za pomocą swego teleskopu odkrył Urana.

Największe współczesne teleskopy mają zwierciadła o średnicy do 10 m. Są wysokie jak biurowce i zautomatyzowane: przed zmierzchem same czyszczą z pyłu swoje elementy optyczne, otwierają kopułę, prowadzą obserwacje, a w razie niesprzyjającej pogody przerywają pracę. Jednak ludzie, jak to ludzie, stale się w ten proces włączają. Choćby po to, by mieć pewność, że wszystko pójdzie, jak trzeba. Zmarnowanie jednej nocy obserwacji oznacza stratę 100 tys. dolarów kosztów eksploatacyjnych.

Trzy największe współczesne teleskopy – Gemini North, Subaru i teleskop Kecka – położone są blisko siebie na szczycie wygasłego wulkanu Mauna Kea na Hawajach. Umiejscowienie ich na wysokości 4 205 m n.p.m. ma sporo zalet: poniżej znajduje się 40 proc. ziemskiej atmosfery i większość zawartej w niej pary wodnej (która blokuje interesujące naukowców promieniowanie podczerwone gwiazd). Ale zdobywanie tych danych ma swoją cenę. W rozrzedzonym powietrzu astronomom i inżynierom trudniej się oddycha i myśli. Wielu ma pod nosem plastikowe rurki dostarczające tlen. – Na tej wysokości improwizacja prowadzi do nieszczęścia – mówi Scott Fisher, astronom zatrudniony przy Gemini. – Tutaj pracujemy jak wytresowane małpy. Prawdziwe myślenie odbywa się na poziomie morza.

Wszystkie trzy wielkie obserwatoria na Mauna Kea są na podobnym poziomie technicznego zaawansowania i równie drogie, lecz każde jest inne. Teleskop Gemini ze zwierciadłem średnicy 8,1 m jest umieszczony w srebrzystej kopule otoczonej pierścieniem zasłon. O zmierzchu zasłony otwierają się, tworząc ogromne okno mające trzy piętra wysokości i rozciągające się na trzy czwarte obwodu obserwatorium. Cztery główne cyfrowe czujniki Gemini (kamery i spektrometry) są wielkie jak samochody i kosztują po ok. 5 mln dolarów. Zamocowano je na obrotowej platformie dokoła ogniska teleskopu i w razie potrzeby mogą zostać użyte w ciągu kilku minut. Teleskopem sterują komputery, porządkując zamówione obserwacje, żeby jak najlepiej wykorzystać każdą minutę.

Oprzyrządowanie teleskopu Subaru jest rozmieszczone we wnękach jak butle szampana w niebiańskiej piwniczce z winem. (To porównanie nie jest całkiem od rzeczy; jeden z wybitnych japońskich astronomów na początku każdej sesji obserwacyjnej na zewnątrz kopuły zabiega o przychylność bogów, rozlewając na cztery strony świata szlachetną sake). Subaru jest jednym z niewielu potężnych teleskopów, przez które ktoś bezpośrednio patrzył na niebo. Okular zamontowano na nim specjalnie dla japońskiej księżniczki Sayako, by mogła zobaczyć kosmos podczas inauguracji przyrządu w 1999 r. Ciekawska załoga Subaru spoglądała przez niego jeszcze przez kilka dni.

Keck składa się z dwóch bliźniaczych teleskopów o zwierciadłach mających 10 m średnicy, utworzonych z 36 segmentów. Każdy wraz z elementami nośnymi waży blisko 400 kg, kosztuje niemal milion dolarów i wystarczyłby na niezły teleskop uniwersytecki. Wszystko montowane jest w nim z ogromną precyzją, nic nie może zakłócić jego pracy.

– Skoro światło to wędrowało przez kosmos przez miliardy lat i dotarło do tego urządzenia, warto zrobić wszystko, by bez przeszkód pokonało resztę drogi – powiedział mi jeden z pracowników Kecka.

Nieliczni astronomowie, którzy korzystają z teleskopów, przyjeżdżają tu na czas badań. Większość zapytania o dane składa drogą elektroniczną. Minionej nocy Gemini prowadził obserwacje dla kilku projektów, m.in.: „Masy wczesnego Układu Słonecznego” i ,,Aktywności magnetycznej ultrazimnych karłów”. Geoff Marcy, którego zespół odkrył ponad 150 planet krążących wokół innych gwiazd, choć ma największy przydział czasu na teleskopie Kecka, nie zawitał tu od lat. Jego zespół kieruje obserwacjami z pomieszczeń Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley. – Podczas sesji przestawiamy się na nocny tryb życia – mówi Marcy. – Mamy pod ręką wszystkie potrzebne książki i czas dla naszych bliskich, by nas nie zapomnieli.

Współczesne wielkie teleskopy dają wspaniałe obrazy nie tylko dzięki bezprecedensowej zdolności skupiania światła. Zastosowano w nich również tzw. optykę adaptacyjną, która kompensuje zaburzenia wynikające z istnienia ziemskiej atmosfery. Powietrze sprawia, że gwiazdy oglądane gołym okiem migoczą. Gdy spogląda się na nie przez teleskop, efekt widać jeszcze wyraźniej. Aby go uniknąć, układ optyki adaptacyjnej wysyła w niebo wiązkę światła laserowego. Na wysokości 90 km trafia ona w cienką warstwę atomów sodu i sprawia, że zaczynają świecić. Światło z tego punkcika jest rejestrowane przez system i na jego podstawie określane są ruchy powietrza w atmosferze. Do nich z częstością ponad tysiąc razy na sekundę dostosowuje się ustawienia układu optycznego teleskopu, które kompensują zaburzenia atmosferyczne. Gemini płaci dwóm studentom 10 dolarów za godzinę, by przez całą noc siedzieli na zewnątrz kopuły z krótkofalówką w ręku i wypatrywali samolotów. Gdyby jakiś nadlatywał, mają powiadomić astronomów, że trzeba wyłączyć laser. – Efekt, jaki daje optyka adaptacyjna, jest niesamowity – mówi Scott Fischer. – Kiedy system jest wyłączony, patrzę na gwiazdę i widzę nieco rozmytą tarczkę. A potem włączam optykę adaptacyjną i obraz gwiazdy zamienia się w maleńki punkt.

Jak będziemy oglądać kosmos w przyszłości? Powstaną potężniejsze i szybsze teleskopy, z jeszcze większym zakresem pola widzenia i lepszą rozdzielczością. Wśród kolosów, które wejdą do użytku w najbliższej dekadzie jest Wielki Teleskop Magellana, Teleskop 30-metrowy i 42-metrowy teleskop EELT (European Extremely Large Telescope – Niezwykle Duży Teleskop Europejski), będący zmniejszoną kopią stumetrowego teleskopu OWL (Overwhelmingly Large Telescope, Przeogromnie Duży Teleskop), którego budowa zatrzymała się na etapie planów, gdy okazało się, że jej koszt jest równie przeogromny.

Szczególnie innowacyjny jest teleskop LSST (Large Synoptic Survey Telescope – Wielki Teleskop do Synoptycznych Obserwacji Przeglądowych), którego główne zwierciadło o średnicy 8,4 m odlano w sierpniu ub. roku w wirującym piecu w Tucson. Konwencjonalne teleskopy mają wąskie pole widzenia, na ogół pół stopnia w każdą stronę – za mało, by ogarnąć olbrzymie struktury powstałe wskutek Wielkiego Wybuchu. Pole widzenia LSST będzie mierzyło 10 stopni kwadratowych, co odpowiada obszarowi pokrytemu przez 50 tarcz Księżyca w pełni. Teleskop ustawiony w Andach będzie rejestrował obrazy galaktyk na drugim krańcu Wszechświata podczas zaledwie 15-sekundowych ekspozycji i pozwoli śledzić ewolucję zdarzeń odległych ponad 10 mld lat świetlnych, czyli 70 proc. rozmiarów obserwowalnego Wszechświata. – W kilka dni zarejestrujemy obraz całego nieba, by potem zacząć od nowa – mówi Tony Tyson, dyrektor LSST. – Po 10 latach powstanie pierwszy film pokazujący ewolucję Wszechświata.

LSST może się przyczynić do rozwiązania dwóch głównych problemów nurtujących współczesnych astronomów: natury ciemnej materii i ciemnej energii. Obecność ciemnej materii ujawnia się za pośrednictwem jej przyciągania grawitacyjnego – trzeba ją uwzględnić, jeśli chcemy np. zrozumieć szybkość ruchu wirowego galaktyk. Niestety, materia ta nie świeci i jej skład jest nieznany. Ciemna energia to określenie dla tajemniczego czynnika, który powodował, że przez ostatnie 5 mld lat tempo ekspansji Wszechświata rosło. Poznanie tych dwóch wielkich niewiadomych będzie możliwe częściowo dzięki wiedzy z dziedziny akustyki. Wielki Wybuch był bardzo „głośnym” wydarzeniem. Wprawdzie dźwięk nie może rozchodzić się w próżni, jaka panuje we współczesnym kosmosie – co pedanci z lubością wytykają reżyserom filmów science fiction – ale wczesny Wszechświat był wypełniony gęstą plazmą i panował w nim ogromny hałas. Pewne dźwięki dobrze współgrały z drganiami pierwotnej plazmy i odcisnęły swe piętno na pasmach galaktyk, które rozciągają się dziś na przestrzeni miliardów lat świetlnych.

Te właśnie zaburzenia zawierają dokładne informacje o naturze ciemnej materii i ciemnej energii. Jeśli astronomom uda się sporządzić dokładną mapę tych wielkich struktur, możliwe będzie zidentyfikowanie śladów obecności ciemnej materii i ciemnej energii w dźwiękach Wielkiego Wybuchu. Coś już na ten temat wiadomo dzięki pionierskiemu programowi szerokokątnego przeglądu nieba, tzw. Sloan Digital Sky Survey prowadzonemu w latach 1999–2008. Jednak zadaniem LSST jest zajrzeć znacznie głębiej w przestrzeń kosmiczną. Tempo, w jakim LSST będzie robił zdjęcia, pozwoli także astronomom lepiej przyjrzeć się zdarzeniom, które dzieją się zbyt szybko dla obecnych przyrządów. Większość astronomów rejestruje krótkotrwałe zdarzenia, jak jasny punkt na serii zdjęć. Może to być cząstka promieniowania kosmicznego, która uderzyła w światłoczułą matrycę, albo planetoida, albo błękitny rozbłysk na powierzchni czerwonej gwiazdy o małej jasności. Dzięki LSST takie zagadkowe przypadki będzie można wyjaśniać, korzystając z robionych przezeń wielokrotnych zdjęć całego nieba. Olbrzymie teleskopy będą wykonywać w ciągu jednej nocy tyle zdjęć, co współczesne przez rok. – Gdy do akcji wkroczą giganty – mówi Scott Fischer – przyrządy kalibru dzisiejszego Gemini staną się teleskopami używanymi do przeglądów nieba. Będą szukać zjawisk, które powinny zostać zbadane bardziej szczegółowo.

Wielka przyszłość jest też przed teleskopami orbitalnymi, które przesyłają zdjęcia wprost z kosmosu. Satelita Kepler wystrzelony na ziemską orbitę w marcu 2009 r. prowadzi systematyczne obserwacje gwiazdozbioru Łabędzia. Szuka delikatnie i regularnie przygasających świateł gwiazd, efektu być może spowodowanego krążeniem wokół nich planet. Gwiazdy, na tle których prawdopodobnie przebiegają planety, zostaną poddane dokładniejszym oględzinom przy użyciu teleskopu Kecka przez zespół Geoffa Marcy’ego. Planuje się też umieszczenie na orbicie pary zwierciadeł wyposażonych w laserowy układ pozycjonowania, pozwalający osiągnąć zdolność rozdzielczą odpowiadającą teleskopowi naziemnemu o średnicy kilku kilometrów.

Co przez nie zobaczymy? – Pewnie coś co nas zaskoczy – mówi Tyson. W końcu przez przypadek odkryto ekspansję Wszechświata, ciemną materię i ciemną energię. Posługując się teleskopem, uświadamiamy sobie, jak niewiele wiemy.