Czarna dziura pochłaniająca gwiazdę neutronową: obserwację dwóch takich zdarzeń pod koniec czerwca 2021 r. ogłosiły detektory fal grawitacyjnych Ligo i Virgo. Istnienie par takich ekstremalnych ciał było przewidywane, ale nie do końca pewne. – Oczekiwano, że może być je widać w promieniowaniu radiowym… szukano ich przez dziesiątki lat i nikt ich nie widział. I teraz dopiero wiemy, że one są – mówi w Radiu Naukowym prof. Krzysztof Belczyński z Centrum Astronomicznego im. Mikołaja Kopernika PAN.

Prof. Belczyński wraz z zespołem już lata temu przewidział, jak takie zdarzenie czarnej dziury z „neutronówką” będzie wyglądało. Opcje były dwie. Pierwsza: dochodzi do rozerwania gwiazdy neutronowej jeszcze ponad horyzontem zdarzeń czarnej dziury – wtedy emitowane byłoby możliwe do zaobserwowania promieniowanie. Druga: do rozerwania dochodzi już pod horyzontem – wtedy promieniowanie się z czarnej dziury nie wydostanie i jedyne co możemy obserwować to fale grawitacyjne

– Pierwsza opcja jest bardziej ekscytująca. Niestety, w 2008 roku przeprowadziliśmy badania układów podwójnych masywnych, które prawdopodobnie tworzą układy zderzających się czarnych dziur i gwiazd neutronowych. Wyszło nam, że jak będą się zderzały, to niestety rozerwanie będzie pod horyzontem zdarzeń i nie będzie żadnego promieniowania. Takie przewidywanie było niepopularne, ale niestety zostało teraz potwierdzone przez te dwie obserwacje – opowiada prof. Belczyński. „Niestety”, bo gdyby docierało do nas również promieniowanie fal elektromagnetycznych pochodzące z tego zdarzenia, mielibyśmy o nim więcej informacji. „Stety”, bo nasi astronomowie dobrze przewidzieli przebieg tego zjawiska.

W podcaście dużo rozmawiamy o warsztacie astronoma. Prof. Belczyński pracuje przy użyciu oprogramowania, na którym testuje proponowane modele. – Model się wprowadza w akcję. Mam taki syntetyczny wszechświat w komputerze (…) startujemy ok. 0,5 mld lat po Big Bangu, ewoluujemy gwiazdy i patrzymy ile z tych gwiazd wyprodukowało par czarne dziury-gwiazdy neutronowe, ile z nich się zderza. Mamy różne wariacje tego modelu i patrzymy, który odpowiada temu co widać – tłumaczy astronom.

W podcaście prof. Belczyński zdradza, kiedy najlepiej mu się myśli, czy fizycy teoretycy mogliby wykonywać jego pracę, opowiada o szukaniu dziury w całym, o ambicjach astronomów, ciekawości świata i o tym, czy umie dobrze liczyć. A także o tym, czy taki układ czarna dziura-gwiazda może kryć się tuż za granicami Układu Słonecznego.

Fantastyczna osobowość, świetny naukowiec – musicie tego posłuchać!

Więcej o detekcji: https://www.uw.edu.pl/czarna-dziura-polyka-gwiazde-neutronowa/

Więcej o gwiazdach neutronowych w odcinku nr 23
Więcej o czarnych dziurach w odcinku nr 11
Więcej o falach grawitacyjnych w odcinku nr 9

Obraz: FP na podstawie wizualizacji Max Planck Institute for Gravitational Physics

 

TRANSKRYPCJA

 

Karolina Głowacka: Z życia pewnego astronoma.

 

Krzysztof Belczyński: Mam swój Wszechświat, projektuję go tak, jak chcę, a później ludzie sprawdzają mi go wielkimi teleskopami. Ja czuję się jak w czepku urodzony. Nigdy w życiu nie dotknąłem gry komputerowej, bo nie potrzebuję. 

K.G.: Tak mówi Krzysztof Belczyński, jedna z najciekawszych osobowości polskiej astronomii. W Radiu Naukowym zdradza kuchnię swojej pracy na podstawie świeżutkiej obserwacji, jakiej dokonały detektory LIGO i Virgo obserwujące Kosmos w falach grawitacyjnych. Mowa o zderzeniach dwóch ekstremalnych ciał – czarnych dziur i gwiazd neutronowych, a profesor wraz z zespołem już lata temu przewidział, jak takie zderzenie będzie wyglądało. Nazywam się Karolina Głowacka, a to jest Radio Naukowe – podcast napędzany przez społeczność patronek i patronów w serwisie Patronite. Odcinek pięćdziesiąty drugi. Zaczynamy.

  

K.G.: Profesor Krzysztof Belczyński z Centrum Astronomicznego im. Mikołaja Kopernika Polskiej Akademii Nauk jest gościem Radia Naukowego. Dzień dobry.

 

K.B.: Dzień dobry.

 

K.G.: Podwójne kosmiczne znalezisko czy może, mówiąc bardziej precyzyjnie, obserwacja wstrząsnęła światem nauki i różnych portali popularnonaukowych, ale nie tylko. Informacja ta przebiła się naprawdę szeroko i na kilka dni rozgrzała do czerwoności różne nagłówki. Chodzi o zderzenie czy też może bardziej połknięcie przez czarną dziurę gwiazdy neutronowej. Chciałam cię zapytać, jak przyjąłeś informację o tym, że udało się coś takiego zaobserwować. Chyba spokojnie, bo przewidywałeś, że będzie to wyglądało właśnie tak, jak zostało zaobserwowane. 

 

K.B.: Tak, przyjąłem to z wielką, wielką ciekawością. Oczekiwaliśmy na tego typu zderzenia czarnych dziur z gwiazdami neutronowymi już od kilku lat, odkąd LIGO zaczął obserwować Wszechświat w falach grawitacyjnych, czyli od dwa tysiące dziesiątego roku. Przewidywaliśmy takie zderzenie już w dwa tysiące ósmym roku. Niestety, muszę przyznać, że przewidywaliśmy troszkę więcej, niż ich jest. Z jednej strony „niestety”, z drugiej jest to dla nas pewna informacja, która pozwoli poprawić nasze modele. Jako że te czarne dziury i gwiazdy neutronowe powstają z masywnych gwiazd, które nie do końca rozumiemy, nie rozumiemy, jak żyją, ewoluują, działają w środku, pozwala nam to udoskonalić nasze modele. Te zderzenia, te obserwacje interesują wiele środowisk astronomicznych – od ludzi zajmujących się ewolucją gwiazdową, liczeniem, ile wytwarza się energii w reakcjach termojądrowych, przez ludzi, którzy liczą, jak się tworzą czarne dziury i gwiazdy neutronowe, do ludzi, którzy obserwują i budują detektory fal grawitacyjnych. Więc wszyscy na to czekaliśmy, są to naprawdę bardzo ekscytujące obserwacje.

 

K.G.: Wszyscy czekaliśmy, czekaliście na obserwację takiego właśnie zderzenia, natomiast były wątpliwości, jak to zderzenie czy połknięcie będzie wyglądało. Dochodzi do takiej kosmicznej katastrofy – dwa ekstremalne obiekty kosmiczne się ze sobą zderzają i coś się przecież dzieje. Jak sobie to wyobrażano? Jak ty sobie to wyobrażałeś? To znaczy, jak to obliczałeś i co się okazało w rzeczywistości, w tych twardych obserwacjach?

 

K.B.: Oczywiście najciekawiej by było, gdyby gwiazda neutronowa, która zbliża się do czarnej dziury, została rozerwana. Jej materia, która jest bardzo bogata w neutrony, zostaje odrzucona w przestrzeń kosmiczną, i chłodząc się, świeci. Widzimy wtedy coś, co nazywamy kilonowymi, błyskami gamma. Docierają do nas nie tylko fale grawitacyjne, ale też różnego rodzaju promieniowanie elektromagnetyczne – od podczerwieni, przez optykę, ultrafiolet, aż do promieniowania gamma. Można nawet myśleć o pewnej emisji neutrin. I to byłoby najciekawsze zdarzenie – takie, gdzie mamy koincydencję detekcji fal grawitacyjnych i różnego rodzaju fal elektromagnetycznych.

 

K.G.: Bo dzięki temu dużo się dowiadujemy, z różnych źródeł.

 

K.B.: Dokładnie. I to się stało raz w historii LIGO, w dwa tysiące siedemnastym roku, kiedy była pierwsza detekcja zderzenia dwóch gwiazd neutronowych. Wtedy absolutnie materia musi być wyrzucona ze zderzenia tych dwóch gwiazd, zanim powstanie czarna dziura. I ta materia świeci. Zaobserwowano to, od razu znaleziono galaktykę, w której zaszło to zderzenie. Skierowały się tam wszystkie teleskopy na Ziemi i mamy z tego piękną, wielką naukę. Przy zderzeniach gwiazd neutronowych i czarnych dziur mamy dwie opcje. Jedna to to, że gwiazda neutronowa zostanie rozerwana za horyzontem zdarzeń czarnej dziury i ta materia wtedy może świecić. Druga to to, że gwiazda neutronowa zostanie rozerwana, ale dopiero jak wejdzie pod horyzont zdarzeń czarnej dziury. Wtedy promieniowanie nie może uciec z czarnej dziury, bo jej ciągnięcie, grawitacja jest zbyt duża, żeby pozwolić światłu czy promieniowaniu elektromagnetycznemu uciec. Oczywiście pierwsza opcja jest bardziej ekscytująca, interesująca. Wiele grup od dziesiątków lat przewiduje, co się stanie, gdy czarna dziura zderzy się z gwiazdą neutronową, zostanie wyrzucona materia i zacznie świecić. W dwa tysiące ósmym roku przeprowadziliśmy badania masywnych gwiazd układów podwójnych, które najprawdopodobniej są progenitorami, takimi układami, które tworzą układy czarnych dziur i gwiazd neutronowych, które się zderzają. Wyszło nam, że te dziury i gwiazdy powstały w takiej konfiguracji, że jak będą się zderzały, to niestety rozerwanie czarnej dziury będzie pod horyzontem zdarzeń, nie będzie żadnego wyrzutu materii i żadnego promieniowania elektromagnetycznego. Pesymistyczna wiadomość, takie przewidywanie było niepopularne, ale niestety zostało teraz potwierdzone przez te dwie obserwacje.

 

K.G.: Czyli nie mamy takiego morza informacji, tylko w zasadzie wyłącznie informacje z fal grawitacyjnych?

 

K.B.: Dokładnie. Oczywiście jest to bardzo ciekawe. Dużo nam to mówi o fizyce gwiazd, o naturze samych czarnych dziur, szczególnie o ich rotacji. Bo żeby rozerwać gwiazdę neutronową, rotacja czarnej dziury powinna być bardzo szybka. A tutaj widać, że rotacja tych dwóch czarnych dziur jest bardzo mała. W związku z tym ten horyzont czarnych dziur jest bardzo duży i gwiazda neutronowa po prostu jest zasysana do czarnej dziury i rozerwana pod horyzontem. Więc tak czy tak dużo się dowiemy, a nie tyle, ile byśmy się dowiedzieli w tej drugiej opcji.

 

K.G.: To jest w ogóle ciekawa rzecz, bo w takim popularnym wyobrażeniu zasadniczo jest tak, że jest sobie czarna dziura, która jest tym potworem, i cokolwiek napotka na swojej drodze, jest bezpośrednio wsysane. A wychodzi na to, że to jest jednak dość skomplikowane, bo przecież są takie sytuacje, w których jest gwiazda obok czarnej dziury, i ona nie wpada w tę dziurę, tylko ta materia się kręci wokół dziury. Teraz mówisz o dwóch opcjach, jakie wchodziły w grę, czyli albo że ta gwiazda jest wessana i rozerwana pod horyzontem zdarzeń, albo że jest rozerwana nad tym horyzontem. Więc tych opcji jest naprawdę dużo. Czarna dziura nie jest takim oczywistym obiektem.

 

K.B.: Troszeczkę naprostuję tę perspektywę – to jest częściowo prawda, częściowo nie. Zwykle widzimy czarną dziurę przez gwiazdę, która jest wokół niej, gwiazdę neutronową lub inną czarną dziurę, która na nią wpada. Większość tych czarnych dziur, które widzimy, są w układach podwójnych. Zaczyna się tak, że są dwie gwiazdy, które krążą wokół siebie. Każda przeżywa swoje życie, cykl reakcji termojądrowych. Jak one się skończą, zapada się do czarnej dziury albo np. do gwiazdy neutronowej. I te gwiazdy, te obiekty zwarte czarnych dziur, np. czarna dziura i gwiazda neutronowa, krążą wokół siebie. Ale krążąc, emitują bardzo niskoenergetyczne promieniowanie grawitacyjne, a emitując je, tracą energię z orbity tego układu i ta orbita się zacieśnia. To, co obserwuje LIGO, to jest ostatnie kilka orbit, gdzie czarna dziura i gwiazda neutronowa krążą wokół siebie, i to ostatnie wpadnięcie na siebie. Czyli to, czy gwiazda krąży wokół czarnej dziury, czy gwiazda neutronowa, wynika z faktu, że te dwa obiekty istniały już jako system, układ podwójny. 

 

K.G.: Czyli nie zostały przechwycone?

 

K.B.: W gromadach kulistych, gdzie są duże gęstości gwiazd i takich obiektów zwartych jak czarne dziury i gwiazdy neutronowe, może być tak, że czarna dziura sobie złapie towarzysza. Ale jest nieprawdopodobne, żeby dziura uderzyła w coś bezpośrednio. Zwykle łapie taki obiekt na eliptyczną orbitę i ten obiekt dalej krąży na tej orbicie wokół niej, i orbita się zacieśnia w czasie, aż w końcu LIGO mógłby zaobserwować te ostatnie kilka orbit i wpadnięcie drugiej czarnej dziury albo gwiazdy neutronowej, albo gwiazdy pod lub nad horyzontem do czarnej dziury.

 

K.G.: Mówiłeś, że się dużo dowiedzieliśmy o tych dwóch znaleziskach. Dowiedzieliśmy się już czegoś konkretnego, czym się możesz podzielić, czy dopiero trwają analizy? Czy to jest już coś, co spowoduje, że trzeba trochę poprzestawiać te modele? Jak to wygląda? 

 

K.B.: Są trzy rodzaje układów podwójnych obiektów zwartych jak gwiazdy neutronowe i czarne dziury, które może zobaczyć LIGO. Są to zderzenia dwóch czarnych dziur, dwóch gwiazd neutronowych i czarnych dziur z gwiazdami neutronowymi. Widzimy bardzo wiele podwójnych czarnych dziur, jest ich już około pięćdziesięciu. Gwiazd neutronowych mamy kilka – dwie potwierdzone i kilka kandydatek. A czarnych dziur z gwiazdami neutronowymi jeszcze nie było widać. Ludzie zastanawiali się, czy one w ogóle powstają, szczególnie że była szansa, że one powinny być widoczne w promieniowaniu elektromagnetycznym, radiowym. Gwiazdy neutronowe najczęściej są pulsarami, czyli świecą jak takie latarnie morskie, tylko w promieniowaniu radiowym. Widać je w naszej galaktyce. Widzimy np. około dwudziestu podwójnych gwiazd neutronowych, które wokół siebie krążą, i część z nich w końcu w siebie uderzy. Dadzą one taki błysk LIGO-wy, tylko oczywiście w dalekiej przyszłości – nie będzie już na świecie nas albo i nawet Ziemi. Ale ogólnie mieliśmy potwierdzenie, że podwójne gwiazdy neutronowe istnieją. Więc wiedzieliśmy, że LIGO prędzej czy później je zobaczy. Nie było tutaj żadnego znaku zapytania. Z podwójnymi czarnymi dziurami nie było wiadomo, bo nikt ich wcześniej nie widział, bo nie było jak. Czarne dziury to był naprawdę błysk w całej społeczności astronomicznej w dwa tysiące szesnastym roku, kiedy zostało to ogłoszone. A zderzenia czarnych dziur z gwiazdami neutronowymi są takim przypadkiem, w którym nie wiedzieliśmy, czego oczekiwać – czy one są, czy może nie. Oczekiwano, że może powinny być widoczne w promieniowaniu radiowym. Szukano ich przez dziesiątki lat i nikt ich nie widział. Dopiero teraz wiemy, że one są. Jedna z moich studentek zrobiła przewidywanie, ile ich powinno być w naszej galaktyce, i jest to sto tysięcy. 

 

K.G.: Sto tysięcy takich par?

 

K.B.: Tak. Mamy wielkie teleskopy i jeszcze żadnej nie zaobserwowaliśmy. Mamy wyjaśnienie, dlaczego i m.in. dzięki tym obserwacjom będziemy teraz spisywali prace, dlaczego ich nie widzimy.

 

K.G.: Czy to znaczy, że taka para może być w naszym bardzo bezpośrednim pobliżu?

 

K.B.: Nie. Wiem, że liczba sto tysięcy wydaje się bardzo duża, ale musimy wziąć pod uwagę, że w galaktyce jest około stu miliardów gwiazd.

 

K.G.: Pytam o to dlatego, że skoro dopiero teraz udało nam się zaobserwować coś takiego, co nie jest jednak zupełnie rzadkim zjawiskiem, to może taka para jest gdzieś niedaleko, tylko jej nie zaobserwowaliśmy, bo się nie zderzyły ze sobą, więc nie wyemitowały tego błysku w falach grawitacyjnych, tylko sobie krążą całkiem spokojnie i dopiero za jakiś czas dojdzie do tej kosmicznej katastrofy (gwiazda neutronowa i czarna dziura).

 

K.B.: Gwiazdy świecą, więc wiemy, gdzie jest najbliższa – Proxima Centauri. Jest ona cztery lata świetlne stąd – to jest olbrzymia odległość. Gwiazd w galaktyce jest sto miliardów, a układów podwójnych z czarną dziurą i gwiazdą neutronową tylko sto tysięcy. W związku z tym statystycznie najbliższy taki układ będzie wiele, wiele lat dalej niż najbliższa gwiazda. Oczywiście może się zdarzyć, że coś jest zaraz za płotem i o tym nie wiemy, ale prawdopodobieństwo tego jest bardzo małe. Są to ciekawe pytania, ale astronomowie troszeczkę się uśmiechają, słysząc je, bo prawdopodobieństwo jest bliskie zeru. 

 

K.G.: Wiem, że to bardzo mało prawdopodobne, ale z drugiej strony przyznaję, że to są fajne pytania. Ale tak zupełnie hipotetycznie, pamiętając o tym, że to prawdopodobieństwo jest bardzo małe, jest opcja, że coś takiego jest tuż za granicami Układu Słonecznego?

 

K.B.: Jest, opcja jest zawsze. Jako że mamy ich sto tysięcy, mogą one być gdziekolwiek.

 

K.G.: A duży jest taki układ w kilometrach?

 

K.B.: LIGO zaobserwował, że gwiazdy neutronowe mają około dwudziestu kilometrów.

 

K.G.: To maluszki.

 

K.B.: Ale ważą tyle, co Słońce. Czarna dziura ma około pięciu, dziesięciu mas Słońca i będzie miała ten promień horyzontu około setek do tysięcy kilometrów, w zależności od rotacji. 

 

K.G.: To są naprawdę nieduże w skali kosmicznej.

 

K.B.: Tak, ale to są wielkości samych obiektów. Mogą one być od siebie odsunięte bardzo daleko, np. dalej niż cały rozmiar Układu Słonecznego. Ale mogą być bliżej niż Słońce i Merkury. I w końcu się dotykają, i zderzają. Więc jest całe spektrum odległości, ile taki układ czarnej dziury i gwiazdy neutronowej może zajmować miejsca. Może być tak, że taki mały, zwarty układ wielkości kilkudziesięciu tysięcy kilometrów gdzieś jest. Jakby takie zderzenie zaszło i jakby nie było wyrzutu materii, to nic by się nie stało. A jakby był, to wtedy produkuje się olbrzymia ilość energii, twarde promieniowanie gamma i jakby trafiły w Ziemię, to mogłyby ją wysterylizować. 

 

K.G.: Po prostu by nas zmiotło jako życie?

 

K.B.: Tak. 

 

K.G.: To cieszę się, że mówisz, że jest to bardzo małe prawdopodobieństwo. [śmiech]

 

K.B.: To jest na tyle małe prawdopodobieństwo, że nazwałbym to wręcz science fiction. Choć nie można tego wykluczyć.

 

K.G.: Chciałam cię zapytać o kuchnię nauki. Bo mówisz o przewidywaniach, o modelach. Jak to działa? Wiemy, że w zasadzie nad całą tą historią spogląda na nas Einstein. Mamy dużą teorię, z której wynikają pewne przewidywania. Mówisz o tym, że rozważano różne opcje. Jak wygląda taka kuchnia i jak to potem jest weryfikowane, kiedy pojawiają się obserwacje? Co się dzieje dalej?

 

K.B.: Zaczniemy od Einsteina, a potem przejdę do mojej kuchni. Sam Einstein nie do końca wierzył w istnienie czarnych dziur i trzeba było go przekonywać – to samo z falami grawitacyjnymi. 

 

K.G.: Chociaż wynikało to z jego własnej teorii.

 

K.B.: Tak. Każde takie zderzenie – czy to są dwie czarne dziury, czy czarna dziura z gwiazdą neutronową – jest idealnym potwierdzeniem teorii Einsteina. Widzimy dokładnie, jak wygląda kształt fali grawitacyjnej. Cały zespół astronomów siedzi, przygląda się dokładnie tym falom i sprawdza, czy są jakieś odstępstwa od teorii, którą podał Einstein. Bo cały czas jest jednak troszeczkę możliwości, żeby wprowadzić jakieś małe modyfikacje. Są one nieduże, z każdą obserwacją się zmniejszają. Więc całe grupy liczą, jak taka fala grawitacyjna ma wyglądać. Są to bardzo zaawansowane matematycznie metody i bardzo często liczy się je numerycznie, ale pod tym są modele, które wymagają obliczeń i zrozumienia tych fal. Każda taka obserwacja LIGO dostarcza nam kolejnych testów tego, czy teoria względności działa. Wygląda na to, że działa, i to bardzo dobrze. 

Przewidywania ze strony mojej kuchni są takie: jako że takie obiekty jak gwiazdy neutronowe i czarne dziury powstają z masywnych gwiazd, patrzymy na Wszechświat w dowolnym przekroju obserwacji – czy to będą obserwacje elektromagnetyczne, optyczne, radiowe, czy to będą neutrina itd. – zbieramy wszystkie informacje i staramy się dowiedzieć, jak ewoluują te masywne gwiazdy. Oczywiście nie rozumiemy wszystkiego, widzimy, co widzimy. Nie możemy polecieć do gwiazdy i jej zbadać. Dostajemy tylko jakieś częściowe informacje z jej powierzchni, czasami trochę ze środka, składamy to wszystko do kupy i budujemy modele tego, jak takie gwiazdy działają. Czyli zaczynamy od czegoś bardzo prostego – patrzymy, jak gorąco jest w środku, jakie zachodzą reakcje termojądrowe, jak to promieniowanie przepływa przez gwiazdę i z niej wychodzi. Budując te modele, możemy powiedzieć, że gwiazda będzie żyła, że straci tyle masy w wiatrach gwiazdowych, utworzy tak gęste jądro i możemy przewidzieć, czy to jądro zapadnie się do gwiazdy neutronowej, czy do czarnej dziury. Jaka będzie masa tej czarnej dziury, jaka gwiazdy neutronowej, jaka będzie rotacja czarnej dziury, która decyduje o tym, czy gwiazda neutronowa będzie rozerwana podczas zderzenia z dziurą. Często to zgadujemy, budujemy modele na podstawie intuicji, naszego logicznego myślenia i dzięki takim zdarzeniom, które np. teraz zaobserwowało LIGO, jesteśmy w stanie potwierdzić pewne modele, a inne odrzucić.

 

K.G.: Rozumiem, że bywają również konkurencyjne modele.

 

K.B.: Zdecydowanie tak. Jako że mówimy o tych zderzeniach gwiazd neutronowych z czarnymi dziurami, o wyrzucie materii, naprawdę chcielibyśmy, żeby był ten błysk elektromagnetyczny, promieniowanie gamma, błysk w optyce, w podczerwieni. Nasze przewidywania niezupełnie wykluczały tę możliwość. Twierdziliśmy już w dwa tysiące ósmym roku, że większość gwiazd neutronowych, które się zderzają z czarnymi dziurami, będą połknięte przez te dziury bez żadnego wyrzutu. Ale nie wszystkie. Mówiliśmy, że od kilku do kilkunastu procent może jednak mieć wyrzut materii. Teraz jest wiele grup, które robią to samo, te same przewidywania lepszymi, usprawnionymi metodami. Wliczamy w to też nas, też poprawialiśmy swój model przez te lata. Mamy konkurencyjne modele, każdy to robi trochę inaczej, każdy ma swoje przekonania, priorytety. Oczywiście będzie to później testowane, nie działamy na zasadzie wiary, tylko budujemy modele i je testujemy przez obserwacje. Ale powiedzmy, że procentowo wydaje nam się, że między jeden a dwadzieścia procent takich zdarzeń jak te, które zaobserwował teraz LIGO, powinno mieć wyrzut elektromagnetyczny, wyrzut materii i prowadzić do promieniowania elektromagnetycznego. Jak mamy tylko dwa zderzenia i nie ma wyrzutu materii, to to wszystko jest konsystentne i zgodne ze wszystkimi modelami, które pokazują od jeden do dwudziestu procent. Ale jak będziemy mieli sto takich zderzeń i tylko jedno czy dwa będą miały wyrzut materii, to będziemy mogli odrzucić większość modeli i zostaną tylko te, które pokazują najmniejszy procent. 

 

K.G.: Co się dzieje z naukowcami, których modele są odrzucone? Idą zasmuceni w kąt czy wzrusza się ramionami i idzie się do przodu, mówiąc: trudno, ja też włożyłem, włożyłam coś w tę dziedzinę, ale akurat pech chciał, że nie miałem, nie miałam racji?

 

K.B.: Powiem, co robią inni i co robię ja. Inni szybko poprawiają modele i tydzień po detekcji mają prace z poprawionym modelem. Bardzo dobrze, tak to powinno wyglądać, że jest proces iteracyjny. Coraz bardziej podglądamy naturę, coraz głębiej w nią sięgamy i dogrywamy, docieramy nasze zrozumienie, co jest bardzo dobre. Ci ludzie proponują następne rzeczy i wtedy oni mają rację, a nie inni. Jak jakaś obserwacja potwierdziła moje przewidywania sprzed ponad dziesięciu lat, to nie za bardzo się cieszę, bo niczego się nie nauczyłem. Cieszę się, jak mi ktoś pokaże, że moje przewidywania były złe, bo mogę wtedy iść i spokojnie poprawić model. Wiem wtedy, że czegoś się nauczyłem, a nie, że przewidziałem to wcześniej. 

 

K.G.: Często to słyszę, ale trudno mi w to uwierzyć. Naprawdę nie masz satysfakcji po tylu latach, że dobrze przewidziałeś, że jest właśnie tak, jak myślałeś?

 

K.B.: Ja byłem pewny, że tak będzie. [śmiech] Tylko byłem zawiedziony, że tyle lat czekam, aż w końcu będzie ta detekcja. Przypuszczalnie w przyszłym roku, kiedy LIGO znowu zacznie działać, nie będzie dwóch obserwacji czarnych dziur z gwiazdami neutronowymi, tylko dwadzieścia albo jeszcze więcej. Bo LIGO będzie widziało większy kawałek Wszechświata.

 

K.G.: Właśnie o to chciałam zapytać, bo sam mówiłeś o tym, że tych podwójnych układów czarnych dziur mamy już ponad pięćdziesiąt, mamy dwa układy gwiazda neutronowa-czarna dziura, ale nie należy od razu wysuwać z tego takich wniosków, że to coś mówi o świecie, tylko na razie to bardziej mówi coś o naszych urządzeniach badawczych, do czego one są dostosowane. Tak mam to rozumieć? 

 

K.B.: Połączyłbym to, co powiedziałaś, w dwie rzeczy. Zderzenia tych wszystkich typów zachodzą we Wszechświecie i zachodzą w jakimś tempie, które jest wewnętrznym tempem powstawania tych układów. Nasze urządzenia mierzą to tym dokładniej, im widzą większą część Wszechświata. LIGO na razie dla dwóch czarnych dziur już widzi bardzo duży kawałek Wszechświata. Czarne dziury są masywne, więc jak się zderzą, to te fale grawitacyjne są bardzo silne i można je widzieć z daleka, ale przy tej samej czułości LIGO widać np. dwie gwiazdy neutronowe z niewielkiej odległości. Więc próbkujemy tylko niedużą część Wszechświata wokół nas. Czarne dziury, gwiazdy neutronowe i ich zderzenia są gdzieś pomiędzy. Próbkujemy już ten Wszechświat w zależności od tego, które obiekty się ze sobą zderzają, trochę lepiej lub trochę gorzej. Jest ponad tysiąc naukowców i wielu z nich pracuje tylko i wyłącznie nad poprawianiem czułości instrumentu, nad tym, żeby widział coraz większą część Wszechświata. Wtedy będziemy widzieli coraz więcej zderzeń danego typu i będziemy mogli odpowiadać na więcej pytań, które ciągle mamy, np. pytanie, czy raczej jeden, czy raczej dwadzieścia procent gwiazd neutronowych z czarnymi dziurami produkuje wyrzut materii.

 

K.G.: Ale dzieje się dokładnie to, o czym tak głośno mówiono w momencie uruchomienia LIGO i ogłoszenia detekcji fal grawitacyjnych, czyli dzięki tym obserwacjom widzimy takimi nowymi oczami, nowym rodzajem teleskopu, możemy zobaczyć w falach grawitacyjnych więcej. Czy to jest twoim zdaniem tak, że dzięki tym obserwacjom mapa Kosmosu zrobi się dużo bardziej gęsta?

 

K.B.: Nie powiedziałbym, że bardziej gęsta. Widzimy miliardy gwiazd różnymi teleskopami, nawet niezbyt dużymi. A tutaj widzimy około pięćdziesięciu podwójnych czarnych dziur, kilka zderzeń gwiazd neutronowych i dwa zderzenia czarnej dziury z gwiazdą neutronową. Mapa nie robi się gęstsza, ale pojawiły się na niej nowe obiekty. Bo ani podwójnych czarnych dziur, ani czarnych dziur z gwiazdami neutronowymi wcześniej nie znaliśmy. Przypuszczano, że są, były przewidywania, a teraz mamy je na mapie. I mimo że nie widzimy ich dużo, jesteśmy w stanie powiedzieć, ile ich jest. Powiedziałem, że w naszej galaktyce jest około stu tysięcy czarnych dziur i gwiazd neutronowych – zgadza się to z tą liczbą, że LIGO dopiero teraz odkryło tylko dwa układy.

 

K.G.: Skąd możemy wiedzieć, że jest tego sto tysięcy? Na podstawie czego można szacować właśnie taką liczbę?

 

K.B.: Wyobraź sobie, że masz milion gwiazd i nasze przewidywania pokazują, że na milion gwiazd stworzy się jedna czarna dziura i gwiazda neutronowa. Wiesz, ile masz gwiazd w danej galaktyce. Zmniejszę teraz te liczby, żeby były bardziej pojmowalne, bo prawdziwe są tak wielkie, że ciężko na nich operować. Załóżmy, że masz galaktykę czy system gwiazdowy, który nie ma miliona, ale dziesięć milionów gwiazd. Jeżeli nasze przewidywanie jest takie, że powinniśmy mieć jedną czarną dziurę na milion, to w takim systemie powinno być ich dziesięć. I nasze przewidywanie jest takie, że na te dziesięć układów czarna dziura-gwiazda neutronowa powinno zachodzić jedno zderzenie na dziesięć lat. Jeżeli LIGO zobaczy dwadzieścia takich zderzeń, to mówi nam, że nasza teoria jest zła. Musimy to poprawić i wyprodukować więcej z tej samej liczby gwiazd, bo znamy liczbę gwiazd w tym systemie, bo mamy teleskopy. Musimy wtedy poprawić też model. A jeżeli nic nie zobaczy, to musimy coś zrobić, żeby zabić te ścieżki, które produkują gwiazdy neutronowe i czarne dziury, których nie widzimy. I z tego też się czegoś uczymy. Więc mamy tego typu przewidywania, że porównujemy Wszechświat elektromagnetyczny, który rozumiemy dużo lepiej, który widzimy i znamy liczbę gwiazd, szczególnie tych masywnych, które produkują czarne dziury i gwiazdy neutronowe, robimy z tego przewidywania i kontrastujemy je z tym, co widzi LIGO. Więc tutaj mamy taką bardzo dobrą synergię obserwacji elektromagnetycznych przez przewidywania do obserwacji grawitacyjnych. Wszyscy się od siebie uczą.

 

K.G.: To pokazuje, jaką macie trudną pracę. Z jednej strony macie dużo tych informacji, a z drugiej mam czasami wrażenie, że to jest takie łapanie szczątków, niteczek i próba utkania z tego całego obrazu. Ale to jest tak skomplikowane, tak zależne są od siebie nawzajem te kwestie przez to, że nie możemy pewnych rzeczy bezpośrednio zaobserwować, że to jest naprawdę trudna robota. 

 

K.B.: Może nie powiedziałbym, że trudna, ale wymaga to bardzo specyficznego podejścia. Dla ludzi, którzy mają bardzo konkretne umysły, np. fizyków teoretyków, którzy muszą wiedzieć: „z pierwszych zasad to jest tak i tak, wynika to i to”, byłoby bardzo ciężkie do przejścia, że np. trzeba coś wymyślić, tak ad hoc. Okej, nie wiem, jak to działa, bo nie mam obserwacji, ale muszę coś wymyślić, bo nie zrobię przewidywania. Często np. wsiadałem w samochód i jechałem gdzieś na długą wycieczkę, i jadąc dwanaście godzin, myślałem, jak coś zaproponować, żeby miało to ręce i nogi, żeby było w miarę logiczne, żebyśmy byli w stanie to przetestować, bo nie było żadnego modelu czegoś, żadnego teoretycznego przewidywania opisującego pewien kawałek tej łamigłówki, która miała prowadzić od tych gwiazd, które widzimy w optyce, w naszej galaktyce, do powstania czarnej dziury z gwiazdą neutronową. Musiałem po prostu wymyślić coś zupełnie od zera. To się wymyślało, później oczywiście dyskutowało się o tym z kolegami w środowisku, szukało dziury w całym – jak ktoś przychodzi z jakąś propozycją nowego modelu, to będę robił wszystko, żeby znaleźć dziurę w całym i przekonać go, że nie ma racji. A on będzie się bronił i argumentował. W ten sposób iterujemy, dogrywamy to, żeby powstał jakiś model. Wprowadza się ten model w akcję, czyli mamy taki syntetyczny Wszechświat w komputerze, bierzemy wszystkie gwiazdy w obrębie tego, co widzi LIGO, ewoluujemy, patrzymy, ile powstało np. czarnych dziur i gwiazd neutronowych, i sprawdzamy, czy LIGO zobaczy dwie, jedną, sto, czy zero.

 

K.G.: Ewoluujecie, czyli przesuwacie strzałkę czasu do tyłu i do przodu?

 

K.B.: Tak. Startujemy około pół miliarda lat po Big Bangu, kiedy zaczęły się tworzyć gwiazdy. Ewoluujemy je do przodu, do chwili obecnej, kiedy obserwuje je LIGO, i patrzymy, ile gwiazd do tego czasu wyprodukowało takich czarnych dziur i gwiazd neutronowych, a dokładniej, ile z nich się w tym momencie zderza. Po dyskusjach z kolegami, studentami, doktorantami mamy różne wariacje takiego modelu, który wymyśliłem, nie wiedząc, co zrobić. Sprawdzamy wtedy, który odpowiada temu, co widać. 

 

K.G.: Zmieniasz sobie np. parametry w tym programie?

 

K.B.: Dokładnie. Ludzie często myślą, że jak już mam model, który odtworzył to, co zobaczyliśmy, to to jest prawdziwy model. A to nieprawda. To jest model, który jest konsystentny z obserwacją, ale nie musi być prawdziwy, bo może być inny model, który da to samo. To, że LIGO czy inni obserwatorzy potwierdzili przewidywanie z modelu, nie jest dowodem na to, że fizyka tak działa. Jest tylko poszlaką, że może tak być. Więc oczywiście dalej testujemy te niepewne modele.

 

K.G.: Nie jest to frustrujące?

 

K.B.: Nasyłamy wtedy astrofizyków teoretyków, którzy naprawdę dłubią w szczegółach i w mikrofizyce, żeby spróbowali to wyjaśnić i potwierdzić dany model.

 

K.G.: Działania tych fizyków teoretyków trwają jakiś czas, ale w końcu ustala się, że Wszechświat, przyroda działa tak, koniec kropka. Powiedziałeś o tym, że mamy model, który przewidywał, że coś będzie wyglądało tak, a nie inaczej, mamy obserwację, która zgadza się z tym modelem – każdy by sobie pomyślał: dobra, bingo, macie to, lecimy dalej, odkrywajcie nowe kawałki Wszechświata. A ty teraz mówisz, myślę, że dość wstrząsającą rzecz – że to jest dalej niepewne, że dalej może się okazać, że albo jest inny model, który również wyjaśnia te obserwacje, albo jest ich jeszcze więcej, albo może być też przecież tak, że obserwacja jest niedokładna, że coś poszło nie tak w czasie pobierania danych, że ktoś coś źle zapisał, coś było źle skalibrowane. To jest strasznie niepewny grunt.

 

K.B.: Jest bardzo niepewny, szczególnie jeżeli chodzi o ewolucję masywnych gwiazd, które są kluczem do tworzenia się czarnych dziur i gwiazd neutronowych. Kalibracja może źle dopasować falę grawitacyjną i dostać inne masy tych czarnych dziur i gwiazd neutronowych, które podaje LIGO, ludzie będą mieli alternatywne teorie do tych mas, często te masy różnią się o czynnik dwa, zamiast np. sześćdziesięciu, będzie masa trzydzieści. To ma zupełnie inne implikacje dla naszych przewidywań. Ale pomińmy to. Nawet jeżeli wszystko zostałoby zaobserwowane tak, jak powinno być, to modele ewolucji masywnych gwiazd mają takie niepewności, że można wziąć takie same gwiazdy o takich samych masach, takim samym składzie chemicznym i dostać zupełnie inny obiekt. Jedna grupa dostanie jeden obiekt, np. gwiazdę neutronową, druga czarną dziurę, a trzecia nic, bo cała gwiazda się rozerwie w wybuchu supernowej. Ja lubię tak pracować. To jest trochę takie zgadywanie. Szukanie i węszenie w stogu siana za szpilką jest bardzo ciekawe. Daje mi to dużo wolności do bawienia się fizyką.

 

K.G.: Ale jak będziesz kiedyś, powiedzmy, na emeryturze i okaże się, że wszystko, co przewidywałeś, pójdzie w odstawkę, bo pojawią się jakieś inne obserwacje i okaże się, że to w ogóle jeszcze inaczej działa, to co sobie wtedy pomyślisz?

 

K.B.: Że miałem bardzo ciekawe życie. Będę zadowolony, na pewno będę śledził do końca, co się dzieje w całym biznesie fal grawitacyjnych i ewolucji masywnych gwiazd, bo jest to dla mnie po prostu ciekawe. Robiłbym to bez żadnej płacy i nie mając pracy, którą mam. Dla mnie jest to trochę bawienie się w Boga. Mam swój Wszechświat, projektuję go tak, jak chcę, a później ludzie mi go sprawdzają różnymi wielkimi teleskopami za miliony czy miliardy dolarów. Ja czuję się jak w czepku urodzony. Nigdy w życiu nie dotknąłem gry komputerowej, bo nie potrzebuję. 

 

K.G.: Przecież możesz sobie grać w tworzenie Wszechświata. Ale wszyscy są tacy otwarci, jak ty czy są jednak takie osoby, które podchodzą bardziej zazdrośnie do swoich modeli i strasznie im zależy, żeby mieć rację?

 

K.B.: W każdym środowisku, w każdej profesji znajdziemy takich ludzi. Jako że mam już teraz ugruntowaną pozycję, próbuję troszeczkę naświetlić w środowisku to, że nie powinniśmy się tak bardzo przywiązywać do tych naszych modeli, tak bardzo ich bronić, tylko raczej jedni od drugich się uczyć i eksponować niepewności, na które napotykamy, produkując nasze przewidywania. Bo bardzo łatwo jest wtedy coś zamieść pod stół, czegoś nie pokazać albo napisać to tak, że jest to nie do końca wyeksponowane. Raczej nikt na siłę nie dopasowuje, nikogo o to nie podejrzewam, ale np. mamy dwa, trzy niepewne problemy i zamiast to wyeksponować, piszemy tylko jedno zdanie w środku artykułu. Też kiedyś taki byłem, chciałem, żeby moje modele były prawdziwe, żeby moje było na wierzchu. Widzę wielu ludzi, którzy tak działają, ale jednak naukowo da się dalej prowadzić dyskusje. Ludzie mają alternatywne fakty i kłamią w żywe oczy, szczególnie w polityce, ale jednak w nauce dalej rozmawiamy. Bywam czasami agresywny w moich naukowych zaczepkach, ale jednak dyskutujemy i staram się naświetlić ludziom, żeby bardziej eksponowali niepewności w swoich modelach, bo może to wyjść na ich korzyść, jak taki model później upadnie. Będą mieli przynajmniej wytłumaczenie, że nie wiedzieli do końca, że to była tylko ich propozycja. 

 

K.G.: Fascynujące. Mówiłeś, że jedziesz sobie dwanaście godzin tym samochodem po to, żeby trochę oczyścić umysł. I jak ty myślisz? Liczbami, wzorami? Odtwarzasz ten swój model z komputera w głowie czy jeszcze jakoś inaczej to działa?

 

K.B.: Zwykle raczej ideami. Kilka razy zdarzyło mi się stanąć, wyciągnąć komputer i policzyć coś na temat czarnych dziur, bo nie mam w głowie kalkulatora. Są ludzie, którzy mają piękne kalkulatory w głowach. Ja muszę stanąć, wyciągnąć komputer i policzyć. Tak naprawdę w nauce łatwo policzyć rzeczy i zbudować model. Trudno zadać dobre pytanie. Czasami też na nie odpowiedzieć, ale zwłaszcza zadać pytanie. Jak zada się dobre pytanie, to to jest więcej niż połowa sukcesu danego projektu. Więc jadę i myślę, jak zadać dobre pytanie. Jeszcze lepiej – jak zadać takie pytanie, żeby dostać za nie Nagrodę Nobla. No bo tylko takie pytania się tak naprawdę później liczą. [śmiech] Może troszkę przesadzam. Ale chcę zadać naprawdę ważne pytanie, które wniesie coś do danego kierunku badań, a nie będzie tylko kolejną pracą, za którą dostanę ileś tam kolejnych cytacji czy punktów. To też się liczy, potrzebują tego studenci, którzy biorą udział w moich pracach albo nawet je prowadzą. Często przekazuję im te pytania – od tego jestem jako promotor. Ale mówię – zadanie dobrego pytania często wystarcza.

 

K.G.: Powiedz, co przed nami? Co przewidujesz, co nas jeszcze czeka w tym świecie czarnych dziur i gwiazd neutronowych? Co jeszcze będziemy obserwować w najbliższym czasie?

 

K.B.: Jest coś, o czym nie wspomniałem. Cały czas mówię, że gwiazdy produkują, formują czarne dziury i gwiazdy neutronowe, ale to nie do końca musi być prawda. Gwiazdy mogą je produkować na wiele sposobów. To, co LIGO obserwuje, te wszystkie czarne dziury, gwiazdy neutronowe i ich zderzenia – nie wiemy, gdzie one dokładnie powstają. Mogą powstawać w układach podwójnych, takich zwykłych gwiazdach, że dwie gwiazdy krążą wokół siebie. Mogą powstawać w gromadach kulistych, gdzie wiele gwiazd żyje razem przez wiele milionów lat, i jedna czarna dziura może wyłapać drugą. Czarne dziury mogą też powstawać zupełnie nie z gwiazd, ale zaraz po Wielkim Wybuchu energia miała taką gęstość i mogła być niejednorodnie rozłożona w takim malutkim, ekspandującym Wszechświecie, że same zagęszczenia energii mogły zapadać się do czarnych dziur – jeszcze dawno, dawno, kiedy Wszechświat nie wiedział, że powstanie coś takiego jak gwiazda. Możliwe, że te czarne dziury też są obserwowane przez LIGO. Wielu ludzi w to nie wierzy, ale jest wiele osób, które wierzą.

 

K.G.: A ty?

 

K.B.: Ja uważam, że nie, ale nie znaczy to, że nie mają one argumentów. W tym momencie nie mamy żadnego dowodu, żeby powiedzieć, skąd te czarne dziury pochodzą – czy z gromad kulistych, czy z układów podwójnych, czy np. z takich pierwotnych czarnych dziur, z zagęszczeń energii. Jest jeszcze kilka innych różnych metod formowania się zderzeń czarnych dziur czy czarnych dziur z gwiazdami neutronowymi i tego nie wiemy. Potrzebujemy więcej obserwacji, obliczeń i przewidywań, żeby powiedzieć, skąd one pochodzą. Jest to naprawdę duże pytanie. Mamy tych obserwacji już dużo, ponad pięćdziesiąt i nie wiemy, skąd one są. Więc tu będzie się działo, ale musimy poczekać na LIGO, na przyszły rok. Przypuszczam, że w przyszłym roku (dwa tysiące dwudziestym drugim), około lata LIGO zacznie znowu obserwować.

 

K.G.: I dużo jest jeszcze tych dobrych pytań do zadania? Pytam bardzo praktycznie, to znaczy, czy bycie astronomem, astronomką w najbliższej przyszłości to jest praca, na którą będzie popyt?

 

K.B.: Oj tak. Astronomia się bardzo dynamicznie rozwija. Wynika to z tego, że mamy coraz więcej instrumentów, które coraz dalej i dokładniej patrzą we Wszechświat. Więc tych danych przybywa w takim tempie, że nieważne, ilu ludzi byśmy zatrudnili, i tak nie będą oni w stanie przetworzyć wszystkich danych. Idzie teraz bardzo duży nacisk na rozwijanie sztucznej inteligencji, do przetwarzania danych.

 

K.G.: No właśnie, skoro sztuczna inteligencja będzie przetwarzać dane, to po co astronomowie i astronomki? Żeby zadawali te pytania?

 

K.B.: Żeby zadawali pytania, ktoś musi to kontrolować, zebrać dane, nauczyć sztuczną inteligencję. Tak naprawdę sprowadza się to do najciekawszych rzeczy, do zadania dobrych pytań i rozumienia fizyki, wybudowania modelu Wszechświata z tych wszystkich danych. Sztuczna inteligencja pomoże nam to obrobić, przetworzyć. Są bardzo duże perspektywy dla młodych ludzi, jest to naprawdę ciekawy zawód, dużo się dzieje i będzie się dużo działo.

 

K.G.: Fascynujące. Profesor Krzysztof Belczyński, Centrum Astronomiczne im. Mikołaja Kopernika Polskiej Akademii Nauk. Bardzo, bardzo dziękuję.

 

K.B.: To była przyjemność z mojej strony. Dziękuję wszystkim za wysłuchanie. Do widzenia.

 

Jak się podobało? Tradycyjnie koniecznie dajcie znać w komentarzach na Facebooku i na YouTube. Powiem wprost – jestem zachwycona wiedzą, otwartością i osobowością profesora Belczyńskiego. A żeby było lepiej, bycie tak fajnym naukowcem to nie jest jedyna działalność profesora, bo przez lata wspinał się on w górach wysokich. Wyobraźcie sobie, że wytyczał m.in. nowe szlaki w Himalajach czy Patagonii. Bądźcie czujni, bo jest szansa, że profesor niedługo ponownie będzie słyszany w Radiu Naukowym. A za tydzień w odcinku numer pięćdziesiąt trzy superwulkany – czym są, jak często wybuchają i czy zniszczą kiedyś naszą cywilizację? Polecam serdecznie i do usłyszenia.