Kosmos

Jocelyn Bell. Pani od pulsarów

Numer 11/2018
Układ podwójny pulsarów. Krążąc wokół wspólnego środka ciężkości, dwie gwiazdy neutronowe emitują fale grawitacyjne. Fale te zwiększają amplitudę, czyli moc promieniowania, gdy dochodzi do kolizji obiektów. Układ podwójny pulsarów. Krążąc wokół wspólnego środka ciężkości, dwie gwiazdy neutronowe emitują fale grawitacyjne. Fale te zwiększają amplitudę, czyli moc promieniowania, gdy dochodzi do kolizji obiektów. Andrey VP / Shutterstock
W 1967 r. młoda doktorantka z University of Cambridge dokonała jednego z najważniejszych odkryć w kosmosie – zidentyfikowała pulsary, czyli gwiazdy neutronowe. Siedem lat później odkrycie to zostało uhonorowane Nagrodą Nobla.

Jednak to nie Susan Jocelyn Bell, bo tak nazywała się młoda odkrywczyni, otrzymała najważniejszą nagrodę naukową świata, lecz jej promotor prof. Antony Hewish, astronom, jeden z pionierów obserwacji radioastronomicznych, i jego bliski współpracownik, profesor i radioastronom Martin Ryle. Jocelyn, która była tylko 24-letnią doktorantką, Komitet Noblowski najzwyczajniej w świecie pominął. Do dzisiaj uznaje się to za jedną z większych wpadek szacownego grona Królewskiej Szwedzkiej Akademii Nauk.

Jednak oliwa zawsze na wierzch wypływa i – po pierwsze – werdykt komitetu z 1974 r. (notabene była to pierwsza Nagroda Nobla z fizyki przyznana za badania i odkrycia stricte astronomiczne) przez wiele lat bardzo krytykowano i wielu wybitnych naukowców, w tym astrofizyków i kosmologów (jak choćby słynny brytyjski kosmolog Fred Hoyle) publicznie się z nim nie zgadzało. Po drugie – dzisiaj, 50 lat po odkryciu, Jocelyn Bell Burnell (bo tak teraz się nazywa pani od pulsarów) otrzymała jedną z najbardziej prestiżowych nagród naukowych świata, a mianowicie Breakthrough Prize, czyli Nagrodę Przełomową, przyznawaną od czterech lat w USA w trzech kategoriach: fundamentalnych nauk fizycznych, nauk biologicznych i matematyki. Przed nią nagrodę tę w fizyce otrzymali Stephen Hawking za całokształt dokonań, zespół fizyków z laboratorium CERN za odkrycie bozonu Higgsa i zespół fizyków z obserwatorium LIGO za odkrycie pierwszej fali grawitacyjnej. Godne towarzystwo. Wysokość nagrody to 3 mln dolarów. Wreszcie sprawiedliwości stało się zadość.

Jest rok 1967

Jocelyn Bell od dwóch lat robi doktorat w Mullard Radio Astronomy Observatory w Cambridge pod kierunkiem jednego z pionierów radioastronomii, prof. Antony’ego Hewisha. Hewish zleca jej i kilku innym doktorantom budowę nowego typu anteny jego projektu i młodzi naukowcy taki radioteleskop konstruują. Bell ma się zająć obserwacją pewnych zjawisk zachodzących w kwazarach, które kilka lat wcześniej zostały odkryte m.in. przez prof. Martina Ryle’a. Rozpoczyna obserwacje, po czym nagle identyfikuje dziwne źródło radiowe – oznaczone wówczas symbolem CP 1919+21 – wysyłające stałe impulsy radiowe z bardzo dużą regularnością w odstępach co 1,34 s. Bell zgłasza swoją obserwację Hewishowi, ten jednak uznaje ją za wynik błędu pomiarowego. Ale Bell pracuje dalej i już w styczniu 1968 r. odkrywa drugie podobne źródło, a w lutym jeszcze jedno. Wyraźnie widać, że raczej nie jest to błąd pomiarowy, więc Hewish zaczyna dokładniej przyglądać się zidentyfikowanym źródłom. Początkowo oboje, i on, i Bell, uważają nawet, że te regularne sygnały radiowe mogą pochodzić od obcych cywilizacji kosmicznych.

Jeszcze w 1968 r. w czasopiśmie „Nature” ukazuje się artykuł Hewisha, Bell i trzech innych naukowców „Obserwacja szybko pulsujących radioźródeł”. Hewish jest wymieniony jako pierwszy autor, Bell – jako drugi.

W latach 1969–1970 inni astronomowie, m.in. Thomas Gold, Fred Hoyle i Franco Pacini, wykazują, że to, co odkryła Bell, to tak naprawdę szybko rotujące i wysyłające regularne impulsy gwiazdy neutronowe, poszukiwane przez astronomów bezskutecznie od lat 30. XX w. Jak już wiadomo, w 1974 r. Komitet Noblowski przyznał nagrodę z fizyki Hewishowi i Ryle’owi za odkrycie pulsarów, czyli szybko rotujących gwiazd neutronowych, natomiast Bell została pominięta. Nigdy jednak nie wyrażała nawet cienia żalu czy rozczarowania. W wielu udzielanych już po latach wywiadach i artykułach – m.in. zamieszczonym w „Cosmic Research Science” artykule „Little Green Men, White Dwarfs or Pulsars” (Małe zielone ludziki, białe karły czy pulsary) Bell zawsze podkreślała, że pomysł prowadzenia badań radioastronomicznych, ich organizacja i lwia część odpowiedzialności spoczywały na Hewishu, w związku z tym Nagroda Nobla przyznana w 1974 r. bezwzględnie mu się należała. Nigdy też szerzej nie komentowała uwag rozmówców, że przecież i jej ten Nobel się należał.

Sam Hewish sporadycznie wypowiadał się na ten temat, chociaż w swojej autobiografii w kilku miejscach przyznał, że istotnie, pierwszą osobą, która wykryła pulsujące radioźródła – czyli pulsary, a więc gwiazdy neutronowe – była Jocelyn Bell. Środowisko astronomów i radioastronomów jednak wciąż często krytycznie komentowało niesprawiedliwy werdykt noblowski, o czym świadczy fakt, że później przez dłuższy czas wszystkie nowe odkrywane pulsary nazywano powszechnie Bell’s stars, czyli gwiazdami Bell. Potem na ich oznaczenie używano początkowych liter CP od „Cambridge Pulsars”, a dzisiaj już raczej stosuje się skrót PSR („Pulsar”).

Tajemnicze gwiazdy neutronowe

Odkrycie pulsarów przez Jocelyn Bell szybko uznano za jedno z donioślejszych w całej historii badań kosmosu. Ale dlaczego? Istnienie gwiazd neutronowych (pulsary są szybko obracającymi się gwiazdami neutronowymi wysyłającymi stałe impulsy promieniowania, najczęściej radiowego, ale też rentgenowskiego lub gamma) przewidział już na początku lat 30. XX w. słynny szwajcarski astronom i kosmolog Fritz Zwicky; notabene pierwszy badacz nieba, który wysunął przypuszczenie istnienia ciemnej materii w gromadach galaktyk. Później, pod koniec lat 30., podobny postulat istnienia gwiazd neutronowych sformułował Lew Landau. Niestety, ówcześni astronomowie nie bardzo wiedzieli, jak i gdzie takich gwiazd szukać. I czy na pewno takie istnieją. Odkrycie Bell w 100% potwierdzało wcześniejsze przypuszczenia. Wtedy też uczeni zyskali dużą wiedzę o brakującym końcowym ogniwie ewolucji gwiazd masywnych, znacznie masywniejszych od Słońca. Zostało tym samym potwierdzone, że gdy gwiazdy duże (od ośmiu do kilkunastu mas Słońca) wybuchają jako supernowe, zamieniają się w osobliwe obiekty o gigantycznej masie i maleńkich rozmiarach. Typowa gwiazda neutronowa posiada bowiem masę 1,5–2 mas Słońca, ale jej średnica to zaledwie kilkanaście kilometrów. Dopiero w dalszych latach udało się też ustalić, że gwiazdy jeszcze masywniejsze, rzędu kilkudziesięciu lub kilkuset mas Słońca, po wybuchu przekształcają się w czarne dziury. W nich gęstość materii sięga nieskończoności.

– To odkrycie – komentuje prof. Tomasz Bulik z Obserwatorium Astronomicznego Wydziału Fizyki UW – pokazało, że istnieją gwiazdy zwarte, czyli obiekty zawierające materię supergęstą, neutronową, która przypomina stan materii obecnej w jądrze atomowym. Te obiekty są na tyle egzotyczne, że dzisiaj mogą być używane jako laboratoria do badania fizyki w układach zupełnie niespotykanych w warunkach ziemskich. Czyli mamy tu potwierdzenie istnienia brakującego końcowego ogniwa w ewolucji masywnych gwiazd i dowód na to, że pewne obiekty składają się z materii w stanie niejako podstawowym, o gęstości bardzo zbliżonej do istniejącej w bardzo wczesnym wszechświecie.

Dzisiaj gwiazdy neutronowe przydają się do wielu obserwacji kosmosu. Stały się niejako uniwersalnymi narzędziami badawczymi. Ponieważ wysyłają spójne promieniowanie radiowe (całe grupy cząstek promieniują zgodnie), można je wykorzystywać do badania gęstości materii międzygwiazdowej, przez którą przenikają. Śledząc polaryzację tego promieniowania, obliczymy też, jakie są wartości pola magnetycznego w galaktykach. Układy podwójne pulsarów – za opis których też, już lata później, przyznano Nagrodę Nobla – pozwoliły dość dokładnie zweryfikować i potwierdzić ustalenia ogólnej teorii względności Einsteina.

Wreszcie ostatnie wielkie odkrycie związane gwiazdami neutronowymi to emisja fali grawitacyjnej pochodząca ze zderzenia dwóch takich gwiazd. Tego typu zderzenia i emitowane przez nie fale grawitacyjne są o wiele ciekawsze i ważniejsze niż kolizje dwóch czarnych dziur, ponieważ te drugie nie emitują wtedy niczego poza falą grawitacyjną. Trudno je nawet dokładnie zlokalizować. Tymczasem zderzenia gwiazd neutronowych są widzialne w zakresie grawitacyjnym (fala), elektromagnetycznym (błyski gamma), a nawet optycznym (tzw. gwiazda kilonowa). Można więc je dokładnie identyfikować i badać. To rodzi nową gałąź astronomii, leżącą na styku badania fal grawitacyjnych i typowych obserwacji elektromagnetycznych.

Jak dodaje prof. Bulik (będący członkiem pracującego dla obserwatorium LIGO zespołu fizyków, który po raz pierwszy wykrył falę grawitacyjną w 2015 r.): „W jednym odkryciu mamy błysk gamma, detekcję fali grawitacyjnej, błysk optyczny i jeszcze poświatę tego błysku badaną potem w zakresie promieniowania radiowego. Wszystko w jednym. Dodatkowo dokładnie identyfikujemy galaktykę i konkretne miejsce w niej, gdzie doszło do zderzenia. Otrzymujemy też potwierdzenie hipotezy, że kolizjom gwiazd neutronowych towarzyszą krótkie błyski gamma, co pierwszy postulował prof. Bohdan Paczyński. To prawdziwa kopalnia informacji. Poza tym odkrycie to pozwala nam obserwować materię, która uwolniła się do przestrzeni po kolizji gwiazd neutronowych. Śledzimy więc, co się w niej dzieje, jakie zachodzą w niej reakcje i jakie pierwiastki się tworzą. Wiemy już, że powstaje tam bardzo dużo, wręcz ogrom pierwiastków ciężkich. To z kolei tłumaczy ich obfitość we wszechświecie. Słowem wszystko mamy tu jak na talerzu”.

Kosmiczne monstra

Są różne gwiazdy neutronowe i różne pulsary. Od takich, które emitują pulsy stosunkowo rzadko, raz na kilka sekund, po rotujące z prędkością ok. 700 razy na sekundę i za każdym obrotem wysyłające puls. Wszystkie mają silne pola magnetyczne, ale są wśród nich też takie, których magnetyzm jest największy we wszechświecie. To tzw. magnetary. Prędkość rotacji tych gwiazd i natężenie generowanego przez nie pola magnetycznego zależą w dużej mierze od rotacji i magnetyzmu macierzystej gwiazdy, z której po wybuchu gwiazda neutronowa powstaje. A tworzy się ona, gdy w trakcie wybuchu zapada się jądro zachowujące w dużej części moment pędu całej gwiazdy przed wybuchem. Podobnie jest z polem magnetycznym, które „wmrożone” w plazmę gwiazdy macierzystej po wybuchu w dużej części zachowuje się w powstałym właśnie pulsarze. Dodatkowo, ponieważ wnętrze gwiazdy neutronowej – a raczej na pewno jej jądro – znajduje się w stanie nadciekłym, dochodzi w nim podczas szybkich obrotów do turbulencji generujących dodatkowy magnetyzm.

To wszystko wiemy przede wszystkim dzięki Jocelyn Bell Burnell, która jako młoda doktorantka odkryła pierwsze pulsary i nie została za to odkrycie uhonorowana Nagrodą Nobla z fizyki. Niesprawiedliwie. Dzisiaj kapituła nagrody Breakthrough Prize w dziedzinie fizyki fundamentalnej nadrabia ten błąd sprzed niemal pół wieku i wyróżnia Jocelyn Bell Burnell. Ta jednak, w zgodzie ze swoją życiową skromnością, twierdzi, że nie potrzebuje finansowej gratyfikacji i że otrzymane pieniądze przeznaczy na stypendia doktoranckie dla młodych naukowców z grup społecznych niedoreprezentowanych w fizyce.

Nic dodać, nic ująć.

Przemek Berg
dziennikarz naukowy, związany na stałe z redakcją tygodnika „Polityka”

01.11.2018 Numer 11/2018

Czytaj także

Reklama
Reklama

Ta strona do poprawnego działania wymaga włączenia mechanizmu "ciasteczek" w przeglądarce.

Powrót na stronę główną