Nagroda Nobla 2026 z fizyki: Francis Halzen. Z archiwum Scientific American: Posłańcy z nieba
Neutrino nadleciało 22 września 2017 roku o godzinie 16:54 czasu wschodniego. Cząstka o prawie nieistniejącej masie przemknęła przez czujniki zakopanego w antarktycznym lodzie obserwatorium neutrinowego IceCube. Neutrino to było nietypowe, gdyż jego energia przekraczała 100 teraelektronowoltów, czyli była około 10 razy większa niż energia, jaką osiągają cząstki w najpotężniejszych akceleratorach na Ziemi. 30 s później komputery IceCube rozesłały po świecie informację o energii tego neutrino oraz momencie jego nadejścia, a także przybliżonego obszaru na niebie, z którego pochodziło.
Erik Blaufuss, członek zespołu IceCube pracujący na University of Maryland w College Park, otrzymał tę wiadomość przez e-mail i stwierdził, że neutrino o takiej energii prawdopodobnie nadleciało spoza Układu Słonecznego. W ciągu poprzedniego roku Blaufuss zetknął się z jakimiś 10 neutrinami o równie dużej energii, ale pomyślał: „To ciekawe zdarzenie – roześlijmy o nim informację dalej”. O godzinie 20:09 na jednej z sieci astronomicznych pojawiło się powiadomienie o cząstce, która miała już wtedy nazwę IceCube-170922A. W obserwatorium IceCube umieszczono ponad 5000 detektorów wykrywających błyski światła wywołane przez neutrina oddziałujące z atomami z lodu, które potrafią wyśledzić miejsce powstania rozbłysku na niebie. Blaufuss miał nadzieję, że wieczorne powiadomienie „zainteresuje obserwatorów online”, czyli astronomów, którzy mogliby spojrzeć na obszar nieba, skąd nadleciało neutrino. Gdyby im się poszczęściło, mogliby zidentyfikować galaktykę albo inne ciało niebieskie, które wyemitowało cząstkę.
Neutrina to zaledwie jedna z wielu rzeczy emitowanych przez obiekty na niebie, które rozbłyskują, wybuchają, drżą i świecą. Przez długi czas astronomowie mogli obserwować tylko ciała świecące, czyli te, które wysyłają promieniowanie elektromagnetyczne. Dopiero jakieś 30 lat temu zaczęto chwytać drobne ilości neutrin spoza Układu Słonecznego, zaś od 2015 roku rejestrowane jest kołysanie fal grawitacyjnych. Jednakże zbieranie różnych sygnałów w celu zbadania konkretnych obiektów – metoda zwana astronomią wielonośnikową (multimessenger astronomy) – to osiągnięcie ostatnich dni.
Jedną z ogromnych zalet astronomii wielonośnikowej jest fakt, że w odróżnieniu od światła – fali elektromagnetycznej, która może zostać odbita, pochłonięta i zmienić kierunek, co utrudnia uzyskanie informacji o jej źródle – prawie nic nie jest w stanie powstrzymać rozchodzenia się fal grawitacyjnych czy neutrin. Wiadomość, jaką niosą, jest niezaburzona; nadchodzi do nas bezpośrednio z prędkością światła (lub bardzo zbliżoną). Dodatkowy plus jest taki, że ich źródła – zderzające się czarne dziury lub gwiazdy neutronowe albo zapadające się jądra supernowych – to chwilowe, niewyobrażalnie gwałtowne zdarzenia. Astronomowie albo je przewidywali, ale nie widzieli, albo widzieli, ale nie rozumieli, albo były one niedostępne z jakiejś innej przyczyny. Dzięki większej liczbie posłańców naukowcy mogą wreszcie poznawać te powikłane zjawiska. „To skomplikowane procesy – mówi Francis Halzen, fizyk z University of Wisconsin–Madison i główny specjalista projektu IceCube. – Bez możliwości wielorakiego spojrzenia nie uda się ich zrozumieć”.
Źródło Teksas
W cztery dni po wysłaniu przez Blaufussa informacji o odkryciu dokonanym w IceCube naukowcy operujący kosmicznym teleskopem rentgenowskim Swift Observatory donieśli, że od momentu otrzymania informacji obserwowali obszar otaczający miejsce emisji IceCube-170922A i dostrzegli w nim dziewięć źródeł wysyłających promieniowanie X.
Już w dwa dni później, 28 września o godzinie 6:10, z teleskopu Fermi, rejestrującego promieniowanie gamma, nadeszła wiadomość o odkryciu tego promieniowania z miejsca, którego pozycja zgadzała się zarówno z położeniem IceCube-170922A, jak i drugiego źródła Swifta. Sara Buson, członek zespołu Fermiego z należącego do NASA Goddard Space Flight Center, oraz jej koledzy rozesłali publiczną informację, że źródło to znane było już wcześniej i otrzymało nazwę TXS 0506+056, którą astronomowie skrócili do „źródło Teksas”. „Wywołało to u nas wielkie podniecenie – mówi Buson. – Neutrino było najwyraźniej powiązane z promieniowaniem gamma. Taka koincydencja pojawiła się po raz pierwszy.” W wiadomości rozesłanej przez Buson stwierdzono, że w poprzedzających dwóch tygodniach źródło Teksas pojaśniało sześciokrotnie.
Tego samego dnia o godzinie 14:00 naukowcy związani z operującym w optycznym zakresie widma programem ASAS-SN (którego nazwę wymawia się „asasyn”) ogłosili, że źródło Teksas jaśniało przez ostatnie 50 dni i osiągnęło największą od kilku lat jasność. Następnego dnia, 29 września o godzinie 9:00, dzięki innemu teleskopowi optycznemu stwierdzono, że źródło Teksas to blazar, czyli znajdująca się w centrum galaktyki supermasywna czarna dziura, która od czasu do czasu rozbłyskuje, gdy wpada do niej materia, i wysyła strugi (tzw. dżety) skierowane prosto na nas. A 17 października, korzystając z zespołu radioteleskopów o nazwie Bardzo Duży Układ (Very Large Array; VLA) w Nowym Meksyku, potwierdzono, że promieniowanie faktycznie dochodziło z dżetu blazara.
Blazary to obiekty dobrze znane, nigdy jednak nie obserwowano ich na wielu długościach fali i nie wiedziano, że są źródłem neutrin. Jeszcze bardziej interesujący jest fakt, że w przypadku źródła Teksas po raz pierwszy doszło do przestrzennej i czasowej koincydencji wysokoenergetycznego neutrina z równie wysokoenergetycznym fotonem gamma. Halzen zwraca uwagę, że na całym niebie liczba wysokoenergetycznych neutrin jest zbliżona do liczby wysokoenergetycznych fotonów gamma; dlatego, jak mówi, „oczywiste jest, że możemy w ten sposób obserwować te same źródła”. Imre Bartos, fizyk z University of Florida, uważa, że zbieżność tych liczb to „istotny i sugestywny fakt”. Halzen dodaje jednak, że wniosek, iż neutrina i fotony gamma nadlatują z tych samych obiektów – blazarów – „to bardzo daleko idąca spekulacja”. Mimo to odkrycie neutrina powinno pomóc naukowcom zweryfikować różne hipotezy próbujące wyjaśnić, w jaki sposób dżety blazarów mogą osiągać aż tak wielkie energie. „Zrobiliśmy pierwszy krok – mówi Bartos – ale potrzebujemy więcej obserwacji wielonośnikowych”.
Długie oczekiwanie
Neutrino to pierwszy posłaniec, który nie był fotonem. W lutym 1987 roku nadleciał z supernowej 1987A – umierającej gwiazdy, która wybuchła, gdy jej jądro zapadło się pod ciężarem własnej grawitacji. W Japonii, Stanach Zjednoczonych i Rosji zarejestrowano wtedy w sumie 25 neutrin. W trzy godziny później zaobserwowano światło wytworzone przez falę uderzeniową, przebijającą się przez powierzchnię gwiazdy. W listopadzie dotarło promieniowanie rentgenowskie i gamma, powstałe wskutek rozpadów pierwiastków radioaktywnych, oraz promieniowanie podczerwone wysyłane przez utworzone w wybuchu nowe ciężkie pierwiastki. Doug Cowen, fizyk z Pennsylvania State University i członek zespołu IceCube, twierdzi, że dzięki supernowej 1987A astronomowie lepiej poznali mechanizmy takich wybuchów i procesy powodujące, iż większość ich energii uwalniana jest w postaci neutrin. Działo się to 30 lat temu i, jak mówi Halzen, „od tego czasu trwaliśmy w oczekiwaniu”. Koincydencja neutrina IceCube-170922A ze źródłem Teksas – które było obserwowane przez co najmniej 19 instrumentów na częstotliwościach radiowych, optycznych, rentgenowskich i gamma – to drugie zdarzenie wielopodmiotowe związane z neutrinami.
Neutrina to doskonali posłańcy, ale jeszcze dziwniejsze są fale grawitacyjne. Kiedyś stanowiły one jedynie element teorii, a zostały przewidziane sto lat temu przez Alberta Einsteina. Jego ogólna teoria względności tłumaczy, dlaczego jedno ciało przyciąga drugie – na przykład, Ziemia jabłko – postulując, że każda masa zakrzywia wokół siebie czasoprzestrzeń. Im większa masa, tym silniejsze zakrzywienie. Jabłko nie tyle spada na Ziemię, ile porusza się wzdłuż krzywizny, którą Ziemia tworzy w czasoprzestrzeni. Z teorii wynika, że kiedy masa przyspiesza, krzywizna rozprzestrzenia się w postaci fali. Te fale też rozciągają i ściskają czasoprzestrzeń. Szabolcs Marka, fizyk z Columbia University, objaśnia, że kiedy fala grawitacyjna przelatuje przez jego ciało, „najpierw staje się wyższy i chudszy, a następnie niższy i grubszy”.
Ogólna teoria względności jest dziś powszechnie akceptowana, a naukowcy mają pośrednie dowody na zakrzywianie czasoprzestrzeni przez gwiazdy i galaktyki. Samych fal grawitacyjnych jednak do niedawna nie wykryto. W 2014 roku fizycy zmodernizowali eksperyment o nazwie Laserowe Interferometryczne Obserwatorium Fal Grawitacyjnych (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory; LIGO) – dwa urządzenia z czterokilometrowych rur ustawionych pod kątem prostym do siebie. Promień lasera, wysłany z jednego końca każdej z rur, odbija się od lustra na jej drugim końcu, po czym wraca. Przelatująca przez LIGO fala grawitacyjna ściska i rozciąga rury i dlatego czas przelotu promienia laserowego ulega zmianie o jedną część na 1021, co oznacza, że długość czterokilometrowej rury zmienia się o jedną dziesięciotysięczną średnicy protonu. Marka porównuje tę zmianę do zmiany długu Stanów Zjednoczonych o jedną milionową centa.
Nawet przy tak ogromnej precyzji LIGO jest w stanie wykrywać tylko fale grawitacyjne wysyłane przez niezwykle gęste i masywne źródła, takie jak gwiazdy neutronowe. Spadające jabłko również emituje fale grawitacyjne, ale próba porównania tych fal z falami wytworzonymi przez gwiazdy neutronowe nie ma żadnego sensu. Rozdzielczość kątowa LIGO (czyli zdolność określania położeń źródeł na niebie) jest na tyle dobra, na ile to możliwe, ale w sumie okropna. Korzystając z trzech detektorów – dwóch po obu stronach USA i trzeciego o nazwie Virgo we Włoszech – naukowcy mogą wyznaczyć położenie źródła fal grawitacyjnych z dokładnością do kilkudziesięciu stopni kwadratowych (średnica Księżyca w pełni to 0,5 stopnia). Andy Howell z University of California w Santa Barbara mówi, że dla astronomów to tak, jakby ktoś wskazał dłonią na niebo i stwierdził: „to jest gdzieś tam”.
Od 14 września 2015 roku do 14 sierpnia 2017 roku LIGO i Virgo zarejestrowały pięć różnych przypadków fal grawitacyjnych. Za każdym razem powstały one wskutek zderzenia dwóch czarnych dziur, które zlewały się w pojedyncze większe czarne dziury. Obserwacje te to wielki triumf – pierwszy bezpośredni dowód istnienia nie tylko fal grawitacyjnych, ale i samych czarnych dziur. Nie jest to jednak astronomia wielonośnikowa. Czarne dziury, ponieważ są czarne, są posłańcami tylko jednego rodzaju. Z obecnej teorii wynika, że są one tak gęste, iż nie mogą wysyłać światła, a zatem ich zderzenie można wykryć wyłącznie za pomocą fal grawitacyjnych. Nie należało się spodziewać, że podczas tych zdarzeń powstały neutrina lub światło, i, choć poszukiwało ich wiele detektorów, żaden z nich nic nie zarejestrował.
Kosmiczna kolizja
Trzy dni po obserwacji ostatniego zderzenia czarnych dziur nastąpiło coś, co mogłoby znaleźć się na plakacie reklamującym astronomię wielopodmiotową. 17 sierpnia 2017 roku LIGO i Virgo wykryły fale grawitacyjne. Zaledwie 1,74 s później Fermi zarejestrował błysk promieniowania gamma. Zdarzenie to, nazwane GW170817, było skutkiem zderzenia i zlania się nie czarnych dziur, lecz najgęstszych gwiazd: gwiazd neutronowych.
Gwiazdy neutronowe to zapadnięte jądra przeszłych supernowych. Są one tak gęste, że protony i elektrony zostały ściśnięte do tego stopnia, że połączyły się w neutrony. Gwiazda neutronowa jest końcowym etapem gwiazdy, której masa nie była wystarczająco duża, aby powstała z niej czarna dziura. Zarejestrowane przez LIGO i Virgo fale grawitacyjne powstały, gdy dwie gwiazdy neutronowe zbliżały się do siebie po spirali tuż przed momentem zderzenia, które było źródłem błysku gamma. Wtedy „rozpadło się piekło” – mówi Peter Mészáros z Pennsylvania State University.
W ciągu następnych 24 godzin naziemne i kosmiczne detektory usiłowały uchwycić sygnał na wszystkich możliwych częstotliwościach. M. Coleman Miller z University of Maryland porównuje to do „rzucania kawałków surowego mięsa do wybiegu dla niedźwiedzi”. Udało się stwierdzić, że zderzenie nastąpiło w pobliskiej galaktyce o nazwie NGC 4993, i zaobserwować, że sygnał prawie natychmiast osłabł.
Jednakże przez trzy dni promieniowanie podczerwone stawało się coraz silniejsze, co oznacza, że po zderzeniu gwiazd zostały rozrzucone szczątki, w których tworzyły się najcięższe pierwiastki chemiczne. W ciągu następnych tygodni wzmocnieniu uległo też promieniowanie rentgenowskie i radiowe, z czego wynika, że przez wyrzucony materiał przebijał się dżet, który poruszał się z prędkością bliską prędkości światła. Ponieważ nie zarejestrowano żadnych neutrin, dżet ten nie mógł być skierowany w naszą stronę; Halzen twierdzi, że gdyby tak było, „detektory neutrin z pewnością by je wychwyciły”. Podsumowując, posłańcy okazali się dowodem na istnienie zjawiska, które wcześniej przewidywano, ale nigdy nie zaobserwowano w czasie rzeczywistym: wybuchowego zderzenia dwóch gwiazd neutronowych. Zjawisko to nosi nazwę kilonowej. Produktem końcowym tej eksplozji była albo inna gwiazda neutronowa, albo gwiazda neutronowa w fazie przechodzenia w czarną dziurę, albo czarna dziura.
W dwa miesiące po wybuchu kilonowej astronomowie przedstawili GW170817 światu. Tego dnia, 16 października 2017 roku, do serwisu internetowego arXiv.org, w którym umieszcza się preprinty prac naukowych, wpłynęło 67 artykułów. Po kolejnych dwóch miesiącach liczba prac się podwoiła. „arXiv.org to dla mnie za dużo – mówi Alessandra Corsi z Texas Tech University. – Czasem przestaję nadążać”.
W ten sposób wiele nierozwiązanych problemów astronomii zniknęło, jak kamfora. Przyczyną pewnego szczególnego rodzaju błysków gamma, które obserwowano od kilkudziesięciu lat, ale nigdy nie ustalono ich mechanizmu, okazały się zderzenia gwiazd neuronowych. Ustalono też, że kilonowe są miejscem narodzin dużej części najcięższych pierwiastków występujących we Wszechświecie, w tym platyny, uranu i, jak mówi Samaya Nissanke z Radboud Universiteit w Holandii, „złota o masie równej około 100 masom Ziemi”. W następnych tygodniach chemicy musieli w układzie okresowym poprawić listę źródeł pochodzenia pierwiastków. Co więcej, szczegóły zarejestrowanych fal grawitacyjnych pozwoliły podać w wątpliwość różne alternatywne do ogólnej teorii względności opisy grawitacji, które zaproponowano celem wyjaśnienia efektu ciemnej materii – szczęśliwie nie usuwając możliwości, że Wszechświat ma więcej niż cztery wymiary.
Jak to zawsze bywa, odkrycie dostarczyło również wielu pytań. Astronomowie chcieliby wiedzieć, co po zderzeniu dzieje się z gwiazdami neutronowymi. Pragnęliby też zobaczyć gwiazdę neutronową zderzającą się z czarną dziurą i ustalić, jak tworzą się dżety i co je napędza. Astronomowie nadal nie wiedzą, w jaki sposób zapadają się jądra gwiazd w trakcie wybuchów supernowych, i chcieliby obejrzeć zderzenie supermasywnej czarnej dziury z centrum galaktyki z inną supermasywną czarną dziurą znajdującą się w centrum innej galaktyki.
Tak więc, oprócz dużej liczby nowych i planowanych detektorów promieniowania elektromagnetycznego, naukowcy chcą stworzyć całe mnóstwo detektorów wielopodmiotowych. W Japonii i Indiach powstają bliźniaki LIGO. W latach 30. na orbicie zostanie umieszczona Laserowa Interferometryczna Antena Kosmiczna (Laser Interferometer Space Antenna; LISA). Jej ramionami będą promienie laserów przelatujące między trzema statkami kosmicznymi ustawionymi na kształt trójkąta o długościach boków przekraczających półtora miliona kilometrów. W budowie są nowe detektory wysokoenergetycznych neutrin, w tym IceCube nowej generacji i KM3NeT – detektor o objętości kilometra sześciennego, który położony jest 3500 m pod powierzchnią Morza Śródziemnego.
Zakład
Astronomowie najbardziej lubią odkrywać na niebie rzeczy, co do których nie byli pewni, że je kiedykolwiek zobaczą. Nissanke obroniła doktorat z fizyki w 2007 roku w Institut d’astrophysique de Paris i od tego czasu codziennie myśli, jak dostrzec światło ze źródeł fal grawitacyjnych. Kiedy wygłasza prelekcje na ten temat, często padają krytyczne pytania. „Astronomowie nieraz mówią: wszystko to jest bardzo niepewne, wyznaczasz drobniutkie przesunięcia, twoje obserwacje obarczone są wielkimi błędami.” A kiedy nie zadają pytań, oznacza to, że problem nie wywiera na nich wrażenia. „Połowa audytorium uważa, że robię coś ważnego – mówi Nissanke. – Druga połowa śpi”. I tak jest od 10 lat.
17 sierpnia 2017 roku, w trakcie wystąpienia na konferencji w Amsterdamie, przedstawiła prognozę, że pierwsze wielonośnikowe zdarzenie z udziałem promieniowania elektromagnetycznego i fal grawitacyjnych pojawi się w latach 20. „Uniosło się wtedy wiele rąk – opowiada Nissanke. – Samaya, czy nie grzeszysz zbytnim optymizmem?” Po wystąpieniu jadła obiad z naukowcami z zespołu LIGO-India, podczas którego podniosła stawkę. „Zwykle się nie zakładam, ale stwierdziłam wtedy, że zobaczymy pierwsze zderzenie gwiazd neutronowych”. Naukowcy z zespołu LIGO-India byli przekonani, że nie nastąpi to przed 2019 rokiem, i przyjęli zakład – dżentelmeńskie uściśnięcie dłoni. W godzinę później LIGO i Virgo zarejestrowały zderzenie gwiazd neutronowych. Członek zespołu napisał do niej: przed następną konferencją „podpuśćmy naturę” i zastanówmy się, czy zobaczymy zderzenie gwiazdy neutronowej z czarną dziurą.
W tym miejscu Nissanke przerywa swoją opowieść. „Faktycznie, przewidziałam obserwację zderzenia gwiazd neutronowych – złotego układu podwójnego – ale kilka godzin potrwało uzmysłowienie sobie, co tak naprawdę widzimy – mówi. – Przed nami jeszcze dużo emocji i wiele artykułów naukowych. Zabawa jest niesamowita.”
***
W skrócie
Dwa niedawne wydarzenia na niebie zapoczątkowały astronomię wielonośnikową – obserwację tych samych zjawisk z użyciem promieniowania elektromagnetycznego, cząstek i fal grawitacyjnych.
Każdy z tych posłańców niesie inną informację, dlatego ich połączenie pozwala uzyskać głębszy wgląd w tajemnicze zjawiska kosmiczne.
Astronomowie stwierdzili, że fale grawitacyjne i promieniowanie elektromagnetyczne o różnych częstotliwościach powstały podczas zderzenia dwóch gwiazd neutronowych. Zaobserwowali także promieniowanie i neutrina wysyłane przez ogromną czarną dziurę.
***
Jeśli chcesz wiedzieć więcej
Multi-messenger Observations of a Binary Neutron Star Merger. B. P. Abbott i in., Astrophysical Journal Letters, tom 848, nr 2, artykuł nr L2; 20 października 2017. http://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/aa91c9
***
Ann Finkbeiner jest publicystką naukową mieszkającą w Baltimore. Pisuje o astronomii, kosmologii i związkach nauki z bezpieczeństwem narodowym. Jej ostatnia książka to A Grand and Bold Thing (Free Press, 2010) opisująca projekt Sloan Digital Sky Survey, którego celem jest stworzenie mapy całego nocnego nieba.