Współczesna astrofizyka umożliwiła naukowcom obserwację Wszechświata z niespotykaną dotąd przejrzystością, od egzoplanet po całe galaktyki.
Mimo że nasza galaktyka blokuje niektóre widoki, zaawansowane narzędzia, takie jak Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba a nadchodzące projekty, takie jak Square Kilometre Array, przesuwają granice naszego kosmicznego zrozumienia. Techniki wizualizacji pomagają badaczom badać wszechświat zarówno w przestrzeni, jak i w czasie, ujawniając zjawiska takie jak szybkie rozbłyski radiowe. Patrząc w przyszłość, naukowcy mają nadzieję uchwycić obrazy odległych egzoplanet i odkryć tajemnice, takie jak ciemna energia i ekspansja wszechświata.
Obserwacja Wszechświata: od egzoplanet po galaktyki
Dziś naukowcy są w stanie zaobserwować egzoplaneta krążącego wokół swojej gwiazdy, pojedynczej galaktyki, a nawet całego wszechświata. „Wszechświat to w rzeczywistości głównie pusta przestrzeń” – mówi Jean-Paul Kneib, profesor w Laboratorium Astrofizyki EPFL. „Nie ma zbyt wiele do ukrycia”. Kluczem jest wiedzieć, czego szukasz, zbudować odpowiedni instrument i patrzeć we właściwym kierunku. A potem trochę posprzątać.
„Nasza galaktyka znajduje się na pierwszym planie naszego pola widzenia, zasłaniając widok poza nią” – wyjaśnia Kneib. „Jeśli więc na przykład chcemy zmapować wodór we wczesnym Wszechświecie, musimy najpierw wymodelować cały pierwszy plan, a następnie usunąć go z naszych zdjęć, aż otrzymamy sygnał milion razy mniejszy niż ten emitowany przez Droga Mleczna.”
Rewolucyjne instrumenty i ich przyszły wpływ
Galileusz potrafił rysować tylko to, co widział przez swój teleskop. Ale dzisiaj astronomowie mogą zobaczyć wszechświat w całości, aż do jego początków. Dzieje się tak głównie ze względu na szybki postęp w zakresie stosowanych przez nich instrumentów. W nadchodzących latach należy spodziewać się dalszych zmian. Wystrzelony w grudniu 2021 roku Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST) ma na celu obserwację wydarzeń, które miały miejsce 13 miliardów lat temu, kiedy powstawały pierwsze gwiazdy i galaktyki.
Radioteleskop Square Kilometre Array (SKA) – będący obecnie w budowie, a jego ukończenie zaplanowano na koniec dekady – jeszcze bardziej pozwoli cofnąć się w czasie do czasów, gdy nie było gwiazd, a kosmos zawierał głównie wodór – pierwiastek tworzący 92 % wszystkich atomów we wszechświecie.
„Łatwym sposobem na wykrycie tego gazu jest działanie w zakresie częstotliwości radiowych i właśnie to zrobi SKA” – mówi Kneib. „Celem jest wykrycie sygnału milion razy słabszego niż sygnały na pierwszym planie”.
Kolejnym projektem w przygotowaniu jest antena kosmiczna z interferometrem laserowym (LISA), prowadzona przez firmę Europejska Agencja Kosmiczna (ESA). Antena będzie obserwować, której start zaplanowano na rok 2035 fale grawitacyjnerzucając światło na rozwój czarnych dziur i prawdopodobnie fale powstałe tuż po tym Wielki Wybuch.
Cyfrowe nadrabianie zaległości: rola sztucznej inteligencji i informatyki w astronomii
Te nowe instrumenty nie byłyby tak pouczające, gdyby nie postęp w innych dziedzinach. „W tej chwili nie mamy oprogramowania do przetwarzania danych z SKA” – mówi Kneib, który jest przekonany, że w końcu uda nam się to osiągnąć dzięki postępowi w informatyce i informatyce, sztuczna inteligencja (AI) i moc obliczeniowa. Sztuczna inteligencja jest nieoceniona na przykład przy sortowaniu ogromnych ilości danych w celu znalezienia interesującej anomalii i obliczaniu masy galaktyk.
„Naukowcy mogą wykorzystać efekt soczewkowania grawitacyjnego, w wyniku którego duży obiekt zagina światło z odległego źródła, aby obliczyć masę gromad galaktyk z dokładnością do jednego procenta, tak jakby używali skali” – wyjaśnia Kneib. „Możemy także trenować modele sztucznej inteligencji, aby wykrywały zniekształcenia obrazów spowodowane przez soczewki grawitacyjne. Biorąc pod uwagę, że we wszechświecie istnieje prawdopodobnie 200 miliardów galaktyk, jest to ogromna pomoc – nawet jeśli możemy zmierzyć masę tylko jednej galaktyki na tysiąc”.
Rzeczywistość cyfrowych obrazów kosmosu
Ale czy obrazy, które widzimy, przedstawiają to, co naprawdę istnieje? Słynne zdjęcie opublikowane w 2019 roku przedstawiało pierścień światła w kształcie pączka otaczający: czarna dziura. Czy rzeczywiście zobaczylibyśmy ten pierścień, gdybyśmy się do niego zbliżyli? „To nie było zdjęcie optyczne” – mówi Kneib.
„To był rendering czysto cyfrowy. Aby dokładnie obserwować sygnały o długości fali milimetrowej emitowane przez czarną dziurę, naukowcy musieli połączyć wiele teleskopów naziemnych, aby stworzyć jeden mniej więcej wielkości globu. Następnie obraz zrekonstruowano metodą interferometrii [a measurement method using wave interference]. Niemniej jednak zdjęcie przedstawia prawdziwy sygnał powiązany z ilością materii w obłoku pyłu otaczającym czarną dziurę. Mówiąc najprościej, ciemna część to czarna dziura, a jaśniejsza to materia krążąca wokół niej.”
Znaczenie wizualizacji we współczesnej astronomii
„Obliczenia to tylko część równania w astronomii – trzeba umieć wizualizować rzeczy, co pomaga również sprawdzić, czy obliczenia są prawidłowe” – mówi Kneib, który potrafi odczytać majestatyczny obraz Mgławicy Laguna, położonej 4000 m n.p.m. lata świetlne stąd, jak książka.
„Ten obraz powstał na podstawie obserwacji optycznych przy różnych długościach fal, aby zobrazować różne gazy. Oczywiście w uwydatnieniu kolorów trzeba było wykazać się odrobiną artyzmu. Ale obraz ten ma także ogromne znaczenie dla fizyków. Kolory wskazują na obecność różnych gazów: czerwony oznacza wodór, niebieski tlen i zielony azot. Zwarte, czarne obszary zawierają duże ilości kurzu. Są to zazwyczaj obszary, w których powstają gwiazdy.”
Badanie Wszechświata w czterech wymiarach: przestrzeni i czasu
Wizualizacja jest szczególnie ważna podczas obserwacji obiektów w więcej niż dwóch wymiarach. „Badając kosmos w trzech wymiarach, jesteśmy w stanie zmierzyć odległość między ciałami niebieskimi” – mówi Kneib. Na początku kwietnia naukowcy pracujący nad instrumentem spektroskopowym ciemnej energii (DESI) – obejmujący astrofizyków z EPFL – ogłosił, że stworzył największą w historii trójwymiarową mapę galaktyk i kwazarów wszechświata.
Ale to nie wszystko: badacze badają także wszechświat w czwartym wymiarze – czasie – otwierając w ten sposób niesamowite możliwości obserwacji jasnych, ale ulotnych zjawisk. „Na przykład tak naprawdę nie rozumiemy pochodzenia szybkich rozbłysków radiowych, czyli niewiarygodnie jasnych wybuchów promieniowania elektromagnetycznego trwających najwyżej kilka sekund, a czasem ułamek milisekundy” – mówi Kneib.
W poszukiwaniu życia pozaziemskiego i kosmicznych tajemnic
Czy kiedykolwiek znajdziemy życie na egzoplanecie? Kneib odpowiada: „Dzięki interferometrii w podczerwieni istnieje bardzo realna szansa, że uda nam się zrobić zdjęcie planety krążącej wokół innej gwiazdy. Obraz byłby prawdopodobnie niewyraźny, ale bylibyśmy w stanie obserwować i scharakteryzować takie obiekty, jak chmury i zmiany strukturalne na powierzchni planety. Jest to zdecydowanie możliwe, może za 20 lub 30 lat.
Jednak jeśli chodzi o niektóre podstawowe pytania, jest mało prawdopodobne, że znajdziemy odpowiedzi wyłącznie za pomocą obrazowania. Dlaczego wszechświat rozszerza się w coraz szybszym tempie? Czy jest to spowodowane ciemną energią? Dlaczego 80% materii jest niewidoczne? Czy całkowicie mylimy się co do grawitacji? Przyszłe pokolenia astrofizyków będą wpatrywać się w niebo lub wpatrywać się w ekrany, próbując rozwikłać najgłębsze tajemnice naszego wszechświata.
