Dr Agata Karska pracująca w niemieckim Max Planck Institute for Radio Astronomy bada chemiczne i fizyczne zjawiska towarzyszące powstawaniu nowych słońc. Jej prace, rozpoczęte dzięki grantowi FIRST TEAM na Uniwersytecie Mikołaja Kopernika w Toruniu, pozwoliły lepiej zrozumieć, w jaki sposób warunki towarzyszące rodzeniu się gwiazdy wpływają na to, co dzieje się z nią później i jak oddziałuje to na formowanie się planet.
Jak wyglądają początki istnienia gwiazd?
Patrząc na nasze Słońce można odnieść wrażenie, że gwiazdy rodzą się w pojedynkę i nie ma znaczenia, w której części Drogi Mlecznej się pojawiają. Jest wręcz przeciwnie. Gwiazdy zwykle powstają w gęstych skupiskach gazu i pyłu. Gdy zgromadzi się wystarczająca gęstość materii, siła grawitacji sprawia, że zapadają się one pod własnym ciężarem i wówczas dochodzi do szeregu procesów, które wpływają na to, jak dana gwiazda będzie wyglądać i co dalej będzie się z nią działo. Ja zajmuję się tymi najwcześniejszymi etapami. Z jednej strony mamy zapadanie się centralnego obiektu, z drugiej strony akrecję materii, czyli na protogwiazdę opada mnóstwo materii. Jej rotacja i pole magnetyczne sprawiają, że wokół gwiazdy wytwarza się dysk planetarny. Mamy też do czynienia z wyrzutami nadmiaru materii. Takie wypływy zderzają się z otaczającym gwiazdę pyłem i gazem, powodując fale uderzeniowe i wywołując szereg zjawisk fizycznych i chemicznych. To, co mnie interesuje, to fizyka i chemia procesów wczesnego kształtowania gwiazd. Przedmiotem grantu FIRST TEAM było to, jak położenie rodzącej się gwiazdy w galaktyce wpływa na zjawiska kształtujące jej finalne własności. W zewnętrznych częściach galaktyki otoczenie ma niższą metaliczność. Metalami w astronomii nazywamy wszystko, co jest cięższe niż wodór czy hel. Spodziewamy się, że będzie to miało wpływ na powstawanie gwiazdy, chemię jej dysku protoplanetarnego i tworzenie się planet.
Jak trudno prowadzić takie obserwacje?
Można powiedzieć, że żyjemy w złotej erze astronomii, bo mamy mnóstwo instrumentów umożliwiających obserwacje wszechświata na różnych długościach fal. Jednym z nich jest Teleskop Jamesa Webba, ale w moich badaniach korzystałam także z wielu innych narzędzi, od teleskopu kosmicznego Herschela, przez teleskopy Europejskiego Obserwatorium Południowego, aż po radioteleskop w Piwnicach. Dzięki nim można przeniknąć przez obłoki pyłu blokującego światło widzialne.
Mówimy tutaj o procesach na skalę galaktyczną, ale Pani badała je również na poziomie atomowym.
Z jednej strony mamy najmniejsze cząsteczki materii, pył, molekuły czy atomy, z drugiej strony – gwiazdy. W zamyśle badamy bardzo duże obszary powstawania gwiazd. Zaraz po zakończeniu grantu FIRST TEAM przyjechałam do Niemiec, by kontynuować badania. Prowadzimy przegląd jednej czwartej galaktyki, a ja jestem wiceprzewodniczącą dużego programu badawczego na teleskopie APEX w Chile, w ramach którego chcemy zrozumieć proces powstawania gwiazd na dużą skalę.
W jaki sposób wyjściowe warunki wpływają na to, co ostatecznie dzieje się z gwiazdami?
Wiemy na pewno, że wraz ze spadkiem metaliczności zmniejsza się ilość pyłu. W zewnętrznej części Galaktyki nie ma praktycznie masywnych gwiazd. Z jednej strony złożoność chemiczna tych obszarów wydaje się mniejsza, ale z drugiej w pojedynczych obiektach udało się odkryć złożone molekuły. Na przykład jako pierwsi znaleźliśmy ciężką wodę w Wielkim Obłoku Magellana, który jest obszarem o metaliczności jeszcze niższej niż obrzeża naszej Galaktyki. Teraz sprawdzamy, jak różnorodność molekuł zmienia się w zależności od odległości od centrum Galaktyki. Zaskoczyło nas między innymi to, jak zmienia się ilość cząsteczek zawierających azot. To ma bardzo duże przełożenie na interpretację obserwacji. W astronomii często używamy wykrytych przez nas molekuł do wyznaczania parametrów, takich jak temperatura, gęstość czy promieniowanie UV.
Często zdarza się, że badania z jednej dyscypliny naukowej znajdują zastosowanie w zupełnie innej. Czy tak było w waszym przypadku?
Uświadomiliśmy sobie, że astronomia jest dziś bardzo bliska data science. Astronomowie gromadzą i przetwarzają bardzo dużo danych, więc coraz częściej wykorzystane są techniki uczenia maszynowego. W naszym projekcie wykorzystaliśmy algorytmy do automatycznego identyfikowania protogwiazd i uzyskaliśmy bardzo dobre wyniki. W astronomii w ostatnich latach nastąpił wykładniczy wzrost publikacji wykorzystujących uczenie maszynowe. Dzięki niemu uzyskujemy szybko wyniki, nad którymi 10 doktorantów pracowałoby przez dekadę. Jednocześnie współpraca między naukowcami a programistami przynosi rozwój algorytmów. Postęp jest więc obopólny.
Jak ważny był tutaj program FIRST TEAM?
Gdyby nie ten program naszych badań po prostu by nie było. Dzięki grantowi udało mi się zbudować bardzo duży zespół. Przez trzy i pół roku pracowałam z trzema stażystami po doktoracie, trzema doktorantami i trzema studentami studiów magisterskich. Wszyscy moi pracownicy mają już swoje własne projekty badawcze, co jest na pewno bardzo pozytywnym rezultatem programu FIRST TEAM, bo każdy członek zespołu miał szansę się rozwijać. Trudno przecenić znaczenie tego grantu, bo dzięki niemu mogliśmy przeprowadzić badania na dużo większą skalę, niż gdyby robiła to jedna osoba.
DR AGATA KARSKA
Astrofizyczka, specjalizuje się w astrochemii. Pracuje w Max Planck Institute for Radio Astronomy. Laureatka nagrody „For Women in Science” UNESCO/L’Oreal oraz Nagrody Naukowej „Polityki” w kategorii Nauk Ścisłych. Laureatka programu FIRST TEAM Fundacji na rzecz Nauki Polskiej realizowanego ze środków pochodzących z Programu Operacyjnego Inteligentny Rozwój (POIR). Zdobyła także stypendium w programie START FNP dla wybitnych młodych uczonych.
Na zdjęciu dr Agata Karska_fot OneHD