ALMA, czyli sieć na odkrycia. Dziesięć lat monumentalnego radioteleskopu z Atakamy

Pustynia. Rozrzedzone powietrze, wilgotność kilka procent, Słońce, które błyskawicznie wywołuje poparzenia szkodliwą dawką promieniowania UV. A mimo to, od kiedy tylko pożegnałem się z ALMĄ, marzę, żeby tam wrócić. To właśnie te surowe warunki czynią z Atakamy doskonałe miejsce do obserwacji radiowych: para wodna w powietrzu zazwyczaj blokuje fale radiowe przed dotarciem do powierzchni Ziemi.

Nocna zmiana operatorów ALMA to czas spędzony przed ekranami komputerów. Teleskopami kierujemy z budynku znajdującego się dwa kilometry niżej niż anteny. Przy minimalnej obsadzie czuwających inżynierów, ustawione na płaskowyżu Chajnantor, na wysokości nieco ponad 5 tys. m, w doskonałej synchronizacji skierują się na punkt na niebie, który za chwilę wybiorę.

Mam przed sobą listę projektów naukowych oczekujących na obserwacje. Biorąc pod uwagę warunki pogodowe i położenie obiektów na niebie, wybieram nowy cel. Dziś jest to księżyc Jowisza: Callisto. Przeglądam skrótowy opis projektu – astronomowie poszukują pary wodnej w jego atmosferze. No tak – myślę – nic tak nie absorbuje ludzkiej wyobraźni, jak poszukiwanie życiodajnej wody. Perspektywa tego, że pod powierzchnią gigantycznego satelity Jowisza mogą kryć się mikroorganizmy, które wyewoluowały zupełnie niezależnie od tych ziemskich, jest niemal oszałamiająca.

Wymieniam kilka zdań z Patricio, moim towarzyszem podczas nocnej zmiany. Upewniam się, że wszystko gra: pogoda jest idealna. ALMA przez najbliższą godzinę może spokojnie wpatrywać się w Callisto. Wychodzę więc na przerwę, robię kawę i idę na zewnątrz. Nigdy nie widziałem tak doskonałego nocnego nieba. Mam szczęście, że Księżyc jest świeżo po nowiu, tutaj to on przeszkadzałby najbardziej, bo o zanieczyszczeniu światłem z miast nie ma mowy. Najbliższe miasteczko, liczące niespełna 4 tys. mieszkańców San Pedro de Atacama, oddalone jest o ponad 30 km.

Tej nocy na niebie najjaśniejszy jest Jowisz. Wyciągam lornetkę i dopiero teraz mogę dojrzeć Callisto, tego samego, na którego patrzy teraz ALMA – ledwie dostrzegalną kropkę obok bardzo jasnego dysku Jowisza. Odkrycie czterech najjaśniejszych jego księżyców przez Galileusza uważa się za początek ery teleskopów. Od tego czasu każde nowe, większe, lepsze urządzenie powodowało postęp naszej wiedzy o wszechświecie.

Połowy w morzu szumu

Podstawowa zasada astronomii obserwacyjnej brzmi: Im większy teleskop, tym lepiej. Im większe lustro, tym lepsza rozdzielczość, a więc większa ilość szczegółów, które jesteśmy w stanie zaobserwować na niebie. Niestety, istnieją techniczne ograniczenia rozmiarów teleskopu, jaki potrafimy zbudować. Amerykański Green Bank Telescope (średnica 90 m) doświadczył tego na własnej skórze, zapadając się w 1988 r. pod własnym ciężarem.

Dzięki precyzyjnej technologii i zrozumieniu fizyki fal elektromagnetycznych potrafimy jednak obejść te trudności. Dzięki technice interferometrii umiemy połączyć obserwacje z kilku teleskopów i uzyskać rozdzielczość porównywalną do tej, którą miałby teleskop o średnicy reflektora (termin dotyczy i teleskopów optycznych, i radiowych) równej odległości między dwiema najodleglejszymi antenami w sieci. To dlatego ALMA – Atacama Large Millimeter Array – jest siecią 66 czasz o średnicy 12 lub 7 m. Maksymalna odległość między nimi może sięgać 16 km – a anteny mogą być przesuwane po płaskowyżu, tworząc konfiguracje zależnie od strategii obserwacyjnej.

Interferometria też ma swoje ograniczenia. Sieć teleskopów jest bardzo selektywna: dwie anteny o odległości 16 km będą w stanie stworzyć obraz dysku protoplanetarnego odległego o 100 lat świetlnych od nas z dokładnością jednej jednostki astronomicznej (j.a.) – a więc obserwować obiekty o rozmiarach porównywalnych do odległości Ziemi od Słońca – ale będą kompletnie „ślepe“na chmurę pyłu o skali rzędu 1000 j.a. Dlatego im więcej anten, tym dokładniejsze zobrazowanie obiektów na niebie.

Skomplikowany proces kalibrowania i obrazowania stosowany w ALMA prowokuje wiele dyskusji. Czasem niełatwo rozstrzygnąć, czy sygnał jest rzeczywisty, czy został tylko sztucznie wzmocniony przez niedoskonałość procesu obróbki danych (zdjęcia z ALMA to nie rzeczywisty obraz nieba, ale matematyczna rekonstrukcja). Chyba najsłynniejszą kontrowersją ostatnich lat było ogłoszenie odkrycia związku fosforu, fosfiny (PHł), w atmosferze Wenus. Autorzy publikacji sugerowali, że obecność tej molekuły może być wywołana przez proste mikroby, lewitujące wysoko nad powierzchnią planety. Niestety wszystko wskazuje na to, że detekcja była wynikiem nadinterpretacji szumu w sygnale z planety.

Narodziny w odmętach pyłu

ALMA zaczęła obserwacje naukowe 10 lat temu, więc niedługo po tym, jak sam zacząłem studiować. Z radioastronomią nie chciałem mieć wtedy wiele wspólnego. Kojarzyła mi się ze scenami z filmu „Kontakt” Roberta Zemeckisa (na podstawie książki Carla Sagana pod tym samym tytułem), którego bohaterka, grana przez Jodie Foster, dosłownie nasłuchiwała sygnałów od obcych cywilizacji. Ja chciałem widzieć moje obserwacje. Inspirowany zdjęciami z teleskopu Hubble’a czy VLT (Very Large Array w Nowym Meksyku), chciałem odkrywać piękno kosmosu, zamiast doszukiwać się znaczenia szumu.

Dziś jednak dzięki sieci ALMA również radioastronomowie mogą tworzyć spektakularne obrazy kosmosu. Jak ten przedstawiający dysk wokół mającej niespełna milion lat gwiazdy HL Tau. Wiedzieliśmy, że planety powstają w pobliżu młodych gwiazd, ale ujrzenie tego procesu tak wyraziście, podczas pierwszych obserwacji o naprawdę wysokiej rozdzielczości, zmieniło dla wielu, dla mnie również, sposób patrzenia na wszechświat.

Obserwacje dysku wokół HL Tau pokazały dużo więcej niż tylko spłaszczony wirujący dysk pyłu. Zobaczyliśmy też pierścieniowe struktury, które wydawały się krzyczeć: Tu powstają planety! Wkrótce okazało się, że sprawa jest dużo bardziej skomplikowana i do dziś debatujemy nad pochodzeniem tych „pierścieni”, ale hipoteza planetarna pozostaje jedną z głównych.

I ja użyłem obserwacji ALMA do odkrycia, z którego jestem najbardziej dumny. Dzięki zmierzeniu masy bardzo młodych dysków (liczących mniej niż pół miliona lat) wykazałem, że są one dużo cięższe niż ich starsze odpowiedniki. Wiedząc, ile ważą tysiące planet pozasłonecznych w Galaktyce, doszedłem wraz ze współautorami publikacji do przełomowego wniosku: planety muszą powstawać bardzo szybko! Ich zalążki wykształcają się już w ciągu 100 tys. lat od narodzin gwiazdy i dysku wokół niej. Duża liczba anten ALMA przekłada się na dużą powierzchnię zbierającą fale elektromagnetyczne. Już kilka minut wystarczy więc na wykrycie i zmierzenie w takim młodym dysku ilości energii generowanej przez pył, którą jesteśmy w stanie przeliczyć na jego całkowitą wagę.

Pył w kosmosie jest stosunkowo łatwy do wykrycia – emituje fale w całym spektrum elektromagnetycznym. Gaz natomiast zazwyczaj jest źródłem promieniowania o bardzo konkretnych częstotliwościach, ujawniających informacje o składzie chemicznym obserwowanych obiektów.

Perły w oceanie danych

ALMA ma doskonałą rozdzielczość spektralną – jest w stanie wykryć ruch gazu o prędkości kilkunastu metrów na sekundę i zidentyfikować jego składniki chemiczne. To dlatego chilijskie radioobserwatorium jest nazywane maszyną do astrochemii. Zawdzięczamy jej pierwsze odkrycie prostego cukru glikoaldehydu czy fosforanów, kluczowych do produkcji DNA, w obszarach aktywnego powstawania gwiazd. To tam za kilkaset tysięcy lat będą rodzić się – a być może już się rodzą – nowe planety, w skład których wejdą związki chemiczne obserwowane przez ALMA.

Warto też podkreślić kluczową rolę tego obserwatorium w Teleskopie Horyzontu Zdarzeń (Event Horizon Telescope – EHT). Projekt ten, łączący obserwacje z teleskopów radiowych z całego świata, dokonał najbardziej spektakularnego potwierdzenia ogólnej teorii względności Einsteina. Dostarczył pierwsze bezpośrednie zdjęcie czarnej dziury zakrzywiającej przestrzeń wokół siebie.

Dzięki nieosiągalnej wcześniej czułości na fale radiowe ALMA była w stanie odkryć najodleglejszą – kiedy dokonywano obserwacji, w roku 2022 – galaktykę. Co prawda pierwsze skrzypce w tej dziedzinie gra teraz Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba, a nagłówki artykułów co chwila obwieszczają odkrycie coraz to młodszych galaktyk, ale to właśnie ALMA jest używana do potwierdzania lub obalania tych rewelacji.

Spektakularna detekcja atomów tlenu w galaktyce młodszej niż 500 mln lat – to także zasługa ALMA. Dziś tlen jest jednym z najpowszechniejszych pierwiastków we wszechświecie, ale nie zawsze tak było. W wyniku Wielkiego Wybuchu bezpośrednio powstały tylko wodór, hel i śladowe ilości litu. Tlen i inne cięższe pierwiastki produkowane były w jądrach pierwszych gwiazd. Odkrycie tlenu w tak młodej galaktyce pozwala lepiej poznać proces powstawania i umierania tych obiektów.

Muszle w świętych górach

Kierowanie obserwacjami ALMA bezpośrednio z Atakamy to wyjątkowe doświadczenie. Przez większość mojej kariery interakcja z ALMA polegała raczej na żmudnym aplikowaniu o choćby kilka godzin cennego czasu obserwacyjnego. Rywalizowałem o niego z naukowcami z całego świata podczas ogłaszanego raz w roku konkursu. Zazwyczaj wniosków jest ośmiokrotnie więcej niż możliwości obserwatorium. Nagrodą jest jednak jedyne w swoim rodzaju uczucie, kiedy po latach aplikowania otrzymuję magicznego maila z informacją, że dane są gotowe do pobrania. Potem już tylko kilka kliknięć i patrzę na fragment kosmosu, którego nikt wcześniej nie widział. To wszystko dzieje się jednak zdalnie. Na miejscu zaś, dzięki wejściu w rolę obserwatora, czuję, że moja praca za kilka tygodni bardzo ucieszy astronoma lub astronomkę na drugim końcu świata, gdy dotrą do nich wymarzone obserwacje.

Szansę ujrzenia anten na własne oczy dostaję dopiero ostatniego dnia pracy w obserwatorium. Na szczęście dzięki uprzejmości Danilo, na co dzień pracującego jako specjalista od kontaktów z mediami, zabieram się na 40-minutową podróż w górę. Jeszcze przed wyjazdem sprawdzamy ciśnienie krwi i dostajemy własne zapasy tlenu. Tam, gdzie znajdują się teleskopy, to obowiązkowe wyposażenie.

Słucham o pracy Danilo: ważną częścią jego obowiązków jest kontakt z miejscową społecznością, zwłaszcza edukacja astronomiczna w szkołach. Pustynia zamieszkiwana jest przez rdzenne chilijskie plemiona Atacameno. Danilo dba o dobre stosunki z nimi – nie zamierza popełnić błędów innych obserwatoriów, na przykład z Hawajów. Tamtejsze instalacje astronomiczne nie spotkały się z przychylną reakcją lokalnych mieszkańców. Wulkany, na których położone są teleskopy, uważają oni bowiem za święte góry. Brak porozumienia zahamował pracę nad nowym flagowym projektem Amerykanów: Thirty Meter Telescope.

Także dlatego Chile, zgadzając się na wybudowanie teleskopów, otrzymało specjalny status w projektach badawczych i dodatkowy czas pracy teleskopów zagwarantowany dla ich naukowców.

Życie w głębinach kosmosu

Kilka miesięcy temu świat obiegła informacja o tym, że ALMA zaobserwowała parę wodną w dysku protoplanetarnym. Obecność wody w kosmosie znowu rozbudziła wyobraźnię. Nowe dane pozwoliły ustalić ostatni, brakujący odcinek podróży wody z obłoku molekularnego, w którym powstaje, przez dysk, aż do planet. Sugerują, że woda obecna na Ziemi powstała prawdopodobnie jeszcze przed narodzinami Słońca.

ALMA to jeden z nielicznych teleskopów zdolnych do wykrywania pary wodnej w kosmosie. Unikalna lokalizacja i przełomowa technologia sprawiają, że jeszcze przez wiele dekad będzie pogłębiała naszą wiedzę o wszechświecie, a jej przyszłość wydaje się bardzo optymistyczna. W ciągu najbliższych kilku lat wprowadzony zostanie szereg usprawnień, które znacząco zwiększą efektywność obserwacji. To oznacza rutynowe detekcje składników chemicznych wokół powstających gwiazd w Drodze Mlecznej, ale i odkrywanie tajemnic pierwszych galaktyk.

Atacama Large Millimeter Array jak żaden inny instrument w dziejach przybliża nas do odpowiedzi na pytania: Jak powstało życie na Ziemi? Czy i jak może pojawić się na innych planetach? Czy jesteśmy sami we wszechświecie?