MAB 3/2016

Projekt:

Astrocent (AstroCeNT)

Autorzy:

prof. Leszek Roszkowski i prof. Tomasz Bulik

Finansowanie:

37 999 977,00 PLN

Partner naukowy z Polski:

Centrum Astronomiczne im. M. Kopernika PAN

Partner zagraniczny:

Laboratorium Astrofizyki Cząstek i Kosmologii (APC) w Paryżu

Dziedzina:

Astrofizyka, astrofizyka cząstek, fizyka komputerowa

Cel projektu:

Wykrywanie i badanie niezwykle słabych sygnałów i ukrytych informacji w fizyce, szczególnie w badaniach Wszechświata. Głównymi obszarami działalności będą badania związane z planowanymi eksperymentami detekcji fal grawitacyjnych i ciemnej materii.

 

Opis projektu:

Astrocent – ultranowoczesne centrum astrofizyki cząstek

Fale grawitacyjne, czarne dziury, ciemna materia i ukryty Wszechświat – to wszystko będą eksplorować naukowcy z nowopowstającego ośrodka naukowo-technologicznego Astrocent. Brzmi niezwykle ekscytująco, ale nie chodzi wyłącznie o badanie nowych zjawisk fizycznych, dotychczas jawiących się jako najbardziej zagadkowe. Zaawansowane narzędzia i instrumenty technologiczne, opracowane do badania misteriów fizyki i astrofizyki, znajdą także bardziej praktyczne zastosowania: w nowoczesnych technologiach i medycynie.

Astrocent to interdyscyplinarny międzynarodowy ośrodek badawczy, tworzony w Warszawie przez prof. Leszka Roszkowskiego i prof. Tomasza Bulika – laureatów programu Międzynarodowe Agendy Badawcze (MAB), prowadzonego przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej. Międzynarodowym partnerem strategicznym Astrocent będzie Laboratorium Astrofizyki Cząstek i Kosmologii (APC), światowej klasy instytut naukowy z siedzibą w Paryżu. Polskimi partnerami będą natomiast: Centrum Astronomiczne im. Mikołaja Kopernika (CAMK) Polskiej Akademii Nauk oraz Politechnika Warszawska.

Najważniejszym zadaniem Astrocent będzie wykrywanie i badanie niezwykle słabych sygnałów i ukrytych informacji w fizyce, szczególnie w badaniach Wszechświata. Głównymi obszarami działalności będą badania związane z planowanymi eksperymentami detekcji fal grawitacyjnych i ciemnej materii. Oba te zagadnienia należą do fundamentalnych i jednocześnie najbardziej ekscytujących obszarów fizyki i astrofizyki cząstek, a w ostatnich kilkudziesięciu latach nastąpił bezprecedensowy postęp w ich poznaniu.

,,Wbrew powszechnemu mniemaniu, otaczający nas Wszechświat nie jest tak zupełnie pusty. Wręcz przeciwnie, wiemy, że jest w nim mniej więcej pięć razy więcej niewidzialnej lub ciemnej materii niż tej ,’zwyczajnej’, z której składa się Ziemia i widzialne obiekty, jak np. gwiazdy. Czego jeszcze nie wiemy, to czym ta ciemna materia jest” – mówi prof. Leszek Roszkowski. I dodaje: ,,Wszechświat nie jest też tak zupełnie ‘milczący’. Z kosmosu płyną do nas nieustannie strumienie niezwykle ciekawych informacji. Ale żeby je odczytać, muszą  powstać niezmiernie czułe instrumenty, a także trzeba opracować metody ,’wyłowienia’ poszukiwanych sygnałów z morza wszelkiego rodzaju szumów i z zalewu danych”.

Za takie właśnie przełomowe osiągnięcie – budowę detektora LIGO, który po raz pierwszy zarejestrował fale grawitacyjne – została przyznana tegoroczna Nagroda Nobla z fizyki. Fale grawitacyjne to „zmarszczki” na czasoprzestrzeni, powstające i rozchodzące się wskutek jakiegoś zdarzenia we Wszechświecie. Ich istnienie przewidział już ponad 100 lat temu Albert Einstein, ale sądził, że są one tylko efektem matematycznych przekształceń równań ogólnej teorii względności. Polski fizyk, prof. Andrzej Trautman, wykazał pół wieku później, że fale grawitacyjne istnieją, a ich detekcja jest możliwa. Po raz pierwszy udało się je faktycznie zarejestrować właśnie dzięki detektorowi LIGO w 2015 roku. Zarejestrowana wówczas fala grawitacyjna była echem zderzenia dwóch czarnych dziur, oddalonych od Ziemi o 1,3 mld lat świetlnych. Czarne dziury to efekt końcowy ewolucji gwiazd, obiekty kosmiczne, których masa jest skupiona w tak małym obszarze, że zapadają się pod wpływem własnej grawitacji. Generowana przez nie grawitacja jest natomiast tak silna, że nic nie może się z nich wydostać, nawet światło, i dlatego są to obiekty idealnie czarne. Śladem ich istnienia jest jedynie olbrzymia grawitacja, którą wytwarzają. Pierwsza detekcja fal grawitacyjnych z 2015 roku to jednak nie wszystko, co obecnie dzieje się w astrofizyce. O ponownej rejestracji tych fal poinformowano całkiem niedawno: w październiku 2017. Ich źródłem było zderzenie gwiazd neutronowych (czyli obiektów charakteryzujących się niezwykle dużą gęstością), a wydarzenie to prawdopodobnie nastąpiło w galaktyce NGC 4993, odległej o 130 milionów lat świetlnych od Ziemi. Detekcja tego zderzenia to kolejny przełom, dokonany dzięki pracy kilkuset naukowców, w tym prof. Tomasza Bulika, będącego członkiem obserwatorium VIRGO.

„Odkrycia LIGO i VIRGO otworzyły zupełnie nowe ’okno’ na niewidzialną dotychczas stronę Wszechświata. Oczekuje się, że więcej informacji o naturze fal grawitacyjnych dostarczy planowany w Europie detektor trzeciej generacji Einstein Telescope (ET), czyli podziemny interferometr o długości 10 km. Jako zespół Astrocent zamierzamy dołączyć do projektu ET” – mówi prof. Leszek Roszkowski.

Innym wielkim eksperymentem, w którym będzie uczestniczyć Astrocent, jest projekt DarkSide-20k, nakierowany na identyfikację cząstek ciemnej materii. ,,Ogólnie przyjmuje się, że ciemna materia to jakaś nieznana, masywna i niezwykle słabo oddziałująca cząstka elementarna, ale naukowcy są podzieleni w opiniach, jakie konkretnie ma ona własności. Żeby to wyjaśnić, musimy ją odkryć, a do tego trzeba najpierw osiągnąć niezwykłą czułość aparatury doświadczalnej. Dzięki trwającym od ponad dwudziestu lat wysiłkom, udało się już ją poprawić o czynnik milion, co jest wynikiem bez precedensu, nie tylko w fizyce” – mówi prof. Leszek Roszkowski. Projektowany detektor DarkSide-20k będzie następnym milowym krokiem w tym wyścigu. Będzie on wykorzystywał dwadzieścia ton ciekłego argonu i zostanie uruchomiony w Gran Sasso we Włoszech w 2022 roku.

„Jesteśmy przekonani, że  Astrocent wniesie swój wkład zarówno w naukę, jak i w przełomy technologiczne niezbędne w obu eksperymentach. A zdobyta wiedza praktyczna znajdzie następnie zastosowanie w późniejszych wielkoskalowych eksperymentach w dziedzinie astrofizyki oraz zostanie wykorzystana w przemyśle i medycynie” – zaznacza prof. Tomasz Bulik.

Już dziś można przewidzieć co najmniej trzy praktyczne zastosowania zdobyczy technologicznych Astrocent. Pierwsze z nich to inteligentne algorytmy do przetwarzania ogromnych zbiorów danych i selektywnej ekstrakcji istotnych informacji. W obu projektach, w których będzie brał udział Astrocent, będą zbierane niespotykane dotąd ilości danych, dlatego wyzwaniem i jednocześnie koniecznością będzie opracowanie narzędzi umożliwiających ich selekcję. Z zalewem danych borykają się obecnie także inne dyscypliny nauk przyrodniczych oraz współczesna medycyna, dlatego tak ważne jest poszukiwanie sposobów rozwiązania tego problemu.

Drugim praktycznym aspektem działalności naukowo-badawczej Astrocent będzie rozwijanie technologii modułów detektorów fotonów opartych na fotopowielaczach krzemowych (tzw. SiPM). Moduły SiPM zostaną zastosowane w narzędziach do eksploracji ukrytego Wszechświata, ale mają one również szerokie spektrum zastosowań w sektorze medycznym (np. w skanerach PET, kamerach gamma, mammografach), w przemyśle i energetyce. „Szczególnie obiecujące wydaje się rozwijanie technologii modułów SiPMów w powiązaniu z pracami nad konstrukcją nowego skanera PET, prowadzonymi obecnie przez grupę profesora Moskala z Uniwersytetu Jagiellońskiego. Zespół z UJ wyraził już zainteresowanie podjęciem partnerstwa z Astrocent” – stwierdza prof. Leszek Roszkowski.

Kolejnym zagadnieniem rozwijanym w Astrocent będą układy czujników sejsmicznych. Są one niezbędne w detektorach fal grawitacyjnych, takich jak LIGO, ale mogą znaleźć też zastosowania komercyjne, na przykład do poszukiwania ropy naftowej oraz zostać włączone do systemów wczesnego ostrzegania przed trzęsieniami ziemi.

„Ważne jest także to, że w Astrocent będzie pracować kilka interdyscyplinarnych zespołów specjalistów: fizyków, informatyków, inżynierów i techników. Zespoły te będą współpracowały ze sobą, przekazując sobie nawzajem najbardziej zaawansowane informacje ze swoich dziedzin. Tego rodzaju bliska współpraca będzie nowym zjawiskiem w Polsce i może doprowadzić do prawdziwego przełomu” – przekonuje prof. Tomasz Bulik.

Kim są założyciele Astrocent?

Prof. dr hab. Leszek Roszkowski jest fizykiem, studia fizyczne ukończył na Uniwersytecie Warszawskim, doktorat obronił na Uniwersytecie Kalifornijskim w Davis, zaś habilitował się na Uniwersytecie Jagiellońskim. Następnie pracował też na Wydziale Fizyki i Astronomii Uniwersytetu w Sheffield w Wielkiej Brytanii. Do Polski wrócił w 2011 r. jako laureat programu Welcome FNP. Jest inicjatorem i przewodniczącym międzynarodowej serii konferencji COSMO, członkiem międzynarodowych komitetów doradczych serii konferencji COSMO, IDM i DARK oraz członkiem zespołu redakcyjnego czasopisma naukowego Reports on Progress in Physics. Piastuje obecnie funkcję przewodniczącego Krajowej Rady Astrofizyki Cząstek. Jest też częstym gościem w laboratorium CERN pod Genewą. W centrum jego zainteresowań badawczych znajduje się ciemna materia we Wszechświecie oraz szerzej – cząstki elementarne jako rozwiązania zagadki ciemnej materii, bozon Higgsa i ,,nowa fizyka” poza Modelem Standardowym.

Prof. dr hab. Tomasz Bulik jest astronomem, ukończył studia fizyczne na Uniwersytecie Warszawskim, doktorat z astrofizyki obronił na Penn State Uniwersity, habilitację uzyskał w Centrum Astronomicznym im. Mikołaja Kopernika PAN, pracował też na Uniwersytecie w Chicago. Obecnie pełni funkcję zastępcy dyrektora w Obserwatorium Astronomicznym Uniwersytetu Warszawskiego. Jest członkiem zespołu VIRGO-POLGRAW, zajmującego się poszukiwaniem fal grawitacyjnych w ramach eksperymentów LIGO/VIRGO, bierze też udział w pracach obserwatorium HESS/CTA. Jest zdobywcą prestiżowej nagrody naukowej Breakthrough Prize oraz aktywnym popularyzatorem astronomii. Interesuje się głównie astrofizyką teoretyczną i gwiazdami neutronowymi.

Zdjęcia:  prof. Leszek Roszkowski fot. Krzysztof Sordyl; prof. Tomasz Bulik archiwum prywatne

 

Cofnij