Kwazary pozwalają naukowcom zmierzyć Wszechświat. Wywiad z prof. Bożeną Czerny

W tym artykule:

1. Nasza Galaktyka już była kwazarem. I znów może się nim stać w przyszłości
2. Kwazary, które dziś obserwujemy, w większości już nie istnieją
3. Badania kwazarów mogą pomóc w opanowaniu energii termojądrowej

Ewelina Zambrzycka-Kościelnicka: Bada Pani kwazary – odległe galaktyki przypominające gwiazdy.
Prof. Bożena Czerny: Każda galaktyka ma potencjał bycia kwazarem, bo zawiera w sobie supermasywną czarną dziurę. Aby określić ją mianem kwazara, musi wpływać do niej bardzo dużo materii, co powoduje m.in. bardzo wydajne świecenie obiektu, często tysiąckrotnie silniejsze niż to emitowane przez wszystkie gwiazdy w galaktyce macierzystej kwazara, w której centrum się on znajduje.

Nasza Galaktyka już była kwazarem. I znów może się nim stać w przyszłości

W centrum Drogi Mlecznej też znajduje się supermasywna czarna dziura. Czy nasza galaktyka ma potencjał zmienienia się w kwazara?
Nie, wpływa do niej za mało materii, milion razy mniej niż obserwujemy na przykładzie kwazarów. Ale około 400 lat temu aktywność w centrum naszej galaktyki była większa, a echo świetlne sugeruje nam, że parę milionów lat temu ta aktywność była naprawdę silna. Dostrzegamy to na podstawie pozostałości wyrzutów materii z tamtego okresu.

Odkryto najdalsze źródło sygnału radiowego we wszechświecie

Pochodzi z kwazara tak odległego, że światło potrzebowało 13 mld lat by dotrzeć na Ziemi

Czyli Droga Mleczna już była kwazarem?
W przypadku galaktyk kwazar jest formą, którą, gdyby porównać to do życia człowieka, należałoby nazwać okresem dojrzewania. Nie jest to już zupełnie świeża, dopiero ukształtowana galaktyka, ale wciąż pole ścierania się potężnych sił. Droga Mleczna jest już dojrzałą, ukształtowaną galaktyką, czarna dziura w jej centrum ma masę około czterech milionów mas Słońca. A chociaż wydaje się to dużo, to czarne dziury kwazarów mają kilka miliardów mas Słońca, czyli tysiąc razy więcej. W naszej galaktyce nie ma też wystarczająco dużo materii. Ale to może ulec zmianie za około cztery miliardy lat, gdy zderzymy się z Galaktyką Andromedy, a w wyniku tego zderzenia dojdzie do kolejnego przetasowania kosmicznego oraz pojawi się dużo luźnej materii. Wówczas nowopowstała galaktyka może ponownie stać się kwazarem.

Kwazary, które dziś obserwujemy, w większości już nie istnieją

Najodleglejsze zaobserwowane kwazary są w odległości około 13 miliardów lat świetlnych, czyli na samym skraju obserwowalnego Wszechświata. Ale te najbliższe nam, jak Markarian 231, również dzieli od nas przynajmniej 600 milionów lat świetlnych. Nie ma niczego bliżej?
Nie ma, a konkretnie to już nie ma. Kwazary, które obserwujemy, w większości też już nie istnieją, ale dopiero teraz dociera do nas ich światło. Astronomia to historia i geografia jednocześnie, ponieważ obserwujemy coś, co przeszło już do historii, mimo to pozwala nam tworzyć mapy Wszechświata. Bo między innymi dzięki obserwacji kwazarów możemy zinwentaryzować wszystko, co znajduje się w kosmosie. Znamy metodę, reszta to już problem techniczny.

Okryta właśnie struktura galaktyk nazwana „Łukiem Olbrzyma" może zmienić nasze pojęcie o kosmosie

Rozległy łuk galaktyk zdaje się podważać dotychczasową wiedzę o kosmosie

A jak badanie kwazarów ma pomóc w pomiarach ekspansji Wszechświata?
Po pierwsze, mamy pewność, że ekspansja Wszechświata przyspiesza. Potwierdzają to choćby obserwacje supernowych. Przez długi czas to przyspieszenie było zgodne z tzw. stałą kosmologiczną, wprowadzoną przez Einsteina. Ale coś zaczęło się zmieniać ostatnio w naszej wiedzy. Pomiary, głównie te oparte o gwiazdy supernowe, wskazują na jakiś problem. Badając kwazary mogę uzyskać niezależny pomiar. Rozkładam ich światło na widmo, z którego muszę wyodrębnić długości fal, w których jest najwięcej promieniowania. Wówczas jestem w stanie określić, na ile to promieniowanie spóźnia się wobec tego wyświecanego w sąsiednich długościach fali. Ten pomiar zawiera informację o strukturze kwazara, a w szczególności o jego prawdziwej jasności. I właśnie to przesunięcie przyczynia się do pomiarów prędkości ekspansji Wszechświata.

Badania kwazarów mogą pomóc w opanowaniu energii termojądrowej

Ponoć badanie odległych kwazarów może mieć też bezpośredni wpływ na bardzo przyziemne sprawy, jak choćby uzyskanie dostępu do czystej energii pochodzącej z kontrolowanej fuzji jądrowej?
Ja badam tzw. kwazary radiowo ciche, które stanowią około 90 procent wszystkich znanych obiektów tego typu. Ale poza nimi są też kwazary radiowo aktywne, które wysyłają w przestrzeń dżety tworzone przez silne pole magnetyczne. Taki dżet jest bardzo długo stabilny. Widać, jak przemieszcza się od czarnej dziury aż poza galaktykę macierzystą. Tego typu dżet to po prostu plazma w silnym polu magnetycznym. Na Ziemi próbujemy odtworzyć fuzję termojądrową. Dzieje się tak na przykład w ramach ogromnego eksperymentu ITER. Jednak problemem jest utrzymanie stabilności plazmy. Jeśli zrozumiemy, jak to się dzieje, że kwazary są w stanie wysyłać stabilne dżety, będziemy mogli to wykorzystać do budowy elektrowni termojądrowych i zrozumienia korony słonecznej.

Kosmiczna spaghettifikacja! Zaobserwowano, jak czarna dziura „pożera” gwiazdę

Choć może brzmieć komicznie, spaghettifikacja to tzw. efekt makaronu – zjawisko występujące w astrofizyce. Bardzo rzadkie, a przez to wyjątkowe. Astronomowie z obserwatorium w Chile zaobser...

Badanie kwazarów łączy się nierozerwalnie z badaniem czarnych dziur, które przynajmniej od 50 lat budzą zainteresowanie nie tylko naukowców, ale i laików. W Pani przypadku również zaczęło się od czarnych dziur?
Zaczęło się od książki „Pan Tompkins i kraina czarów” oraz od zamiłowania do ogólnej teorii względności Einsteina. Studiowałam fizykę i nie myślałam zbytnio o kosmosie, ale kiedyś jeden z moich wykładowców, profesor Bohdan Paczyński, powiedział, że jeśli chcę pracować z ogólną teorią względności, badać miejsca, w których załamują się znane prawa fizyki, to powinnam zająć się kosmosem. I tak rozpoczęła się moja trwająca do dziś przygoda z astrofizyką. Teraz od 10 lat prowadzę szczegółowe obserwacje trzech kwazarów, prowadzę własny duży grant, jestem jednym z czterech koordynatorów wielkiego europejskiego projektu Synergy Grant, którego celem jest mierzenie odległości w kosmosie poprzez różne metody. I czekam na zakończenie budowy naszego nowego, przypisanego do tych badań 2,5-metrowego teleskopu w Chile. To wszystko działania żmudne i powolne, ale zajmując się nauką trzeba umieć wykazać się cierpliwością.

rozmawiała Ewelina Zambrzycka-Kościelnicka

Prof. Bożena Czerny – fizyczka, absolwentka Uniwersytetu Warszawskiego. Przez wiele lat związana z Centrum Astronomicznym im. Mikołaja Kopernika PAN, obecnie pracuje w Centrum Fizyki Teoretycznej PAN. Jest współzałożycielką grupy badaczy jąder aktywnych galaktyk i członkinią pierwszej kadencji Rady Narodowego Centrum Nauki. W kadencji 2011–2013 była prezesem Polskiego Towarzystwa Astronomicznego. Jej badania dotyczą struktury i ewolucji jąder aktywnych galaktyk, czarnych dziury, rozbłysków gamma etc. Kierowała również zespołem, który analizował metody wyznaczania mas czarnych dziur. Jest pierwszą Polką wyróżnioną nagrodą im. Lodewijka Woltjera, przyznawaną przez Europejskie Towarzystwo Astronomiczne.