Zespół prof. dr. hab. Marka Biesiady z Zakładu Astrofizyki i Kosmologii w Instytucie Fizyki Uniwersytetu Śląskiego podejmuje w swoich pracach problem wykorzystania silnych soczewek grawitacyjnych w roli nowego testu kosmologicznego, inicjując przy tym owocną współpracę międzynarodową z badaczami z Chin i Francji.

Od lewej dr Aleksandra Piórkowska, prof. dr hab. Marek Biesiada, dr Heng Yu, dr Zhengxiang Li i Zijia Cui

Jednym z najważniejszych nurtów współczesnej kosmologii są badania fenomenu przyspieszającej ekspansji Wszechświata. Stały się one głośne szczególnie po 2011 roku, gdy Królewska Szwedzka Akademia Nauk uhonorowała Saula Perlmuttera, Briana P. Schmidta i Adama G. Riessa Nagrodą Nobla w dziedzinie fizyki za odkrycie na podstawie obserwacji supernowych, że tempo rozszerzania Wszechświata wzrasta. Część badaczy wiąże to zjawisko z problemem tzw. ciemnej energii, której natura pozostaje nieznana. Tak naprawdę nie wiemy, co jest odpowiedzialne za to, że Wszechświat przyspiesza. Gdyby rządziła nim tylko grawitacja, a wypełniała zwykła, znana nam materia, to powinien spowalniać, tak jak kamień rzucony w górę w pewnym momencie spowalnia i wreszcie spada.

– To, dlaczego Wszechświat swoją ekspansję przyspiesza, podczas gdy powinien ją spowalniać, jest wielką tajemnicą i wyzwaniem dla współczesnej fizyki – mówi prof. Biesiada. – Z punktu widzenia teorii nie ma żadnych klarownych sugestii, gdzie szukać rozwiązania. Tak więc ważnym zadaniem dla kosmologii jest dostarczyć jak najwięcej informacji obserwacyjnych, do których dopiero będą mogły nawiązywać przyszłe teorie. My się tym zajmujemy, wykorzystując w tym celu dane obserwacyjne produkowane przez inne zespoły, m.in. obserwacje supernowych typu Ia ciągle prowadzone przez noblistów z 2011 roku, dane pochodzące z obserwacji gromad galaktyk, z obserwacji szczegółów rozkładu struktury wielkoskalowej czy anizotropii promieniowania mikrofalowego. I wreszcie, tu jest nasze główne novum, rozwijamy pewien pomysł po raz pierwszy zaimplementowany na danych obserwacyjnych przez nasz zespół w ramach grantu realizowanego w zakładzie w latach 2008–2011. Jest to pomysł polegający na wykorzystaniu tzw. silnych soczewek grawitacyjnych w roli nowego testu kosmologicznego.

Na tym gruncie zespół prof. Biesiady współpracuje z naukowcami z innych krajów. W przypadku Chin jest to kooperacja z grupą badawczą prof. Zong-Hong Zhu z Beijing Normal University. Obecnie pełni on funkcję dziekana Wydziału Astronomii tej uczelni, a jego znajomość z prof. Biesiadą sięga 2001 roku, kiedy to obaj uczeni równocześnie, nie znając się wcześniej i nie konsultując pomysłów, opublikowali prace na ten sam temat. To dało początek wzajemnemu zainteresowaniu i wreszcie parę lat temu prof. Zhu, będąc w Polsce przy innej okazji, odwiedził Uniwersytet Śląski i zawiązała się bardziej konkretna współpraca, która zaowocowała wizytami prof. Biesiady w Pekinie i wspólnymi publikacjami. Współpraca nawiązuje do bilateralnej umowy rządowej pomiędzy Rzeczpospolitą Polską a Chińską Republiką Ludową o współpracy naukowej i naukowo-badawczej. Wspólny projekt datowany na lata 2012–2014 na 70 zgłoszonych propozycji uplasował się w rankingu finansowania na czwartym miejscu, toteż w skali obu krajów został wysoko oceniony. W listopadzie 2013 roku na UŚ przyjechało trzech współpracowników profesora Zhu – dr Heng Yu, dr Zhengxiang Li i Zijia Cui, by porozmawiać o dalszych kierunkach prac i konkretnych pomysłach na badania.

Zakład nawiązał również współpracę z Instytutem Astrofizyki w Paryżu, elitarnym miejscem skupiającym między innymi koordynatorów satelity Planck, najnowszej generacji obserwatorium promieniowania mikrofalowego. Kluczowym partnerem jest tam dr Rafael Gavazzi, wiodący ekspert i badacz silnych soczewek grawitacyjnych.

– Problem soczewek grawitacyjnych jest niezmiernie ciekawy – stwierdza prof. Biesiada. – Soczewkowanie grawitacyjne stanowi wyraz jednego z podstawowych przewidywań ogólnej teorii względności, jakim jest zakrzywienie toru światła przez ciała masywne. Wynika ono z koncepcji Einsteina, według której nie ma siły grawitacyjnej, masy zakrzywiają natomiast czasoprzestrzeń w swoim otoczeniu i wszelkie ciała, jak również promienie świetlne poruszające się już w zakrzywionej czasoprzestrzeni, nie biegną po prostych, tylko po tzw. krzywych geodezyjnych. Wykrycie tego zjawiska było pierwszym obserwacyjnym sukcesem ogólnej teorii względności. Einstein był sceptyczny co do możliwości zaobserwowania soczewkowania światła odległych obiektów przez gwiazdy działające jako soczewki. Poprawił go nasz wielki rodak Bohdan Paczyński, który sformułował ideę mikrosoczewkowania grawitacyjnego i teraz cała polska szkoła kontynuatorów myśli Paczyńskiego konsumuje ten wynik w postaci eksperymentu OGLE. Współczesny Einsteinowi Fritz Zwicky zauważył z kolei, że gdyby w roli soczewki wystąpiły nie gwiazdy, tylko galaktyki (w momencie tworzenia się ogólnej teorii względności natura galaktyk nie była jeszcze rozpoznana), to szansa obserwacji zjawiska byłaby odpowiednio większa, ponieważ galaktyk jest dużo i są znacznie masywniejsze. Znajdowałoby się ono bowiem w granicach zdolności rozdzielczej dużych teleskopów. I faktycznie przewidywania Zwicky’ego okazały się prorocze, to znaczy najpierw zaczęto odkrywać soczewki grawitacyjne, których elementem soczewkującym jest galaktyka.

Gromada galaktyk Abell 370 działająca jak soczewka

Jak działa soczewka grawitacyjna? Gdybyśmy sobie wyobrazili, że na jednej osi jest ustawione źródło, soczewka (czyli powiedzmy galaktyka) i obserwator, to w świetle normalnej optyki geometrycznej będziemy mieli zakryte przez soczewkę źródło (w odróżnieniu od soczewek szklanych, ta nie jest przezroczysta) i nie powinniśmy go w ogóle widzieć. Natomiast niektóre z tych promieni wysyłanych radialnie w postaci całego pęku w przestrzeń ugną się i to pod takim kątem, że trafią do obserwatora. Czyli wyobrażając sobie, że ten układ ma symetrię wokół swojej osi, zobaczylibyśmy obraz źródła w postaci świecącego pierścienia otaczającego taką soczewkę (w teorii soczewek nazywanego pierścieniem Einsteina). W naturze natomiast bardzo rzadko się zdarza idealna współliniowość, najczęściej układ optyczny nie jest dokładnie współosiowy i zamiast pierścienia Einsteina widoczne są wielokrotne obrazy. Tak więc odkrywanie soczewek grawitacyjnych to odkrywanie takich układów, w których mamy do czynienia z obrazami wielokrotnymi.

– Pierwsze soczewki zostały odkryte, jak to wielokroć bywało, w sposób przypadkowy – mówi badacz – ale te odkrycia wytyczyły pewną strategię poszukiwania soczewek. Zaobserwowano mianowicie konfigurację czterech obrazów odległego kwazaru układającą się w charakterystyczny obraz krzyża. Pomiar przesunięć ku czerwieni dla całej czwórki obrazów dał ten sam wynik, a więc tak jakbyśmy mieli poczwórny układ kwazarów leżących w tej samej odległości od nas. Dokładniejsza analiza pokazała, że pośrodku leży galaktyka przedpola, spełniająca rolę soczewki. To nastąpiło w latach 70. i od tego czasu dokonywano przeglądu potencjalnych źródeł, a więc najdalszych obiektów obserwowanych (są nimi kwazary), poszukując podwójnych lub wielokrotnych kopii, czyli leżących blisko obok siebie kwazarów i badając dokładnie tę konfigurację. Zaczęło to skutkować odkrywaniem kolejnych soczewek, jakkolwiek ta strategia nie dostarczyła bogatej statystyki – od lat 70. do końca lat 90. odkryto zaledwie kilkanaście układów soczewkujących. Przełom w tej dziedzinie nastąpił w roku 2006, kiedy zespół eksperymentu SLACS (jednym z jego członków jest Raphael Gavazzi) opracował strategię spektroskopową poszukiwania i odkrywania soczewek. Polega ona na tym, że obecnie dysponujemy w Cyfrowym Przeglądzie Nieba im. Sloana (SDSS) bardzo bogatym katalogiem galaktyk obejmującym również ich widma zapisane w sposób cyfrowy. Wiemy z wcześniejszych odkryć soczewek i z badań teoretycznych, że największe szanse na bycie soczewką mają galaktyki eliptyczne. Są one bowiem masywniejsze od galaktyk spiralnych, a ponieważ zjawisko ugięcia promienia zależy od masy, jest ona głównym czynnikiem określającym rozmiar pierścienia Einsteina, a więc również i prawdopodobieństwo wystąpienia w roli soczewki. Prace zespołu przyniosły odkrycie około setki soczewek, nad którymi obecnie pracują badacze.

– Nasz pomysł – kontynuuje prof. Biesiada – wykorzystuje to, iż promień Einsteina, czyli separacja obrazów, zależy zarówno od masy soczewki, jak też od stosunku odległości w układzie optycznym. A są to odległości kosmologiczne między źródłem a soczewką oraz między nami i źródłem. Naszym celem jest, aby, mając wiedzę na temat masy soczewki, wykorzystać tę pozostałą informację na temat odległości i przerodzić ją w rodzaj testu modelu kosmologicznego, czyli czasoprzestrzeni tła, na którym akcja się rozgrywa.

Skąd możemy czerpać wiedzę na temat masy soczewki? Szczęśliwie soczewki odkrywane metodą spektroskopową pozwalają na wyznaczenie tzw. dyspersji centralnej prędkości gwiazd galaktyki – do tego potrzebne jest dobrej jakości widmo, a tutaj samym punktem startowym jest posiadanie widma galaktyki. Dyspersja prędkości (czyli to, jak szybko gwiazdy się poruszają) jest pewnym wyznacznikiem masy. Znając ją, można się zająć tylko efektem kosmologicznym.

– Nasz test okazuje się komplementarny do innych. Wiąże się to z tym, że wielkością, jaką tu obserwujemy, jest stosunek pewnych odległości względnych, a nie sama odległość. Wracając do problemu przyspieszającej ekspansji, obecnie nie jest już kwestią, czy Wszechświat przyspiesza, to jest stwierdzone. Pytanie brzmi: czy stoi za tym stała kosmologiczna, czy jakiś czynnik dynamiczny (np. pole skalarne). Standardowe testy są mało precyzyjne – technicznie mówimy: wykazują degenerację ze względu na wyznaczane parametry. Obserwacje soczewek stwarzają możliwość – co pokazaliśmy teoretycznie i staramy się zaimplementować praktycznie – że przy różnym doborze odległości, w jakiej jest źródło, i odległości, w jakiej jest soczewka, degeneracja naszej metody jest ortogonalna do degeneracji innych technik, wobec czego wydłużone, ustawione pod kątem prostym obszary błędów dla parametrów przetną się w części wspólnej, która będzie dość precyzyjnie ograniczona. Mamy nadzieję, że nasze obserwacje soczewek poprowadzą nas w kierunku właśnie tego typu ograniczeń – kończy prof. Biesiada.