Fundacja na rzecz Nauki Polskiej obchodzi 25-lecie działalności. Z tej okazji zaprosiliśmy 25 laureatów naszych programów do rozmowy o tym, jak się „robi” naukę. Co ich fascynuje? Co jest tak ciekawe i ważne w tym, czym się zajmują, że zdecydowali się poświęcić temu większą część życia? Jak osiąga się sukces?
Bohaterki i bohaterowie wywiadów to badacze, którzy reprezentują wiele odległych od siebie dziedzin, są na różnych etapach kariery naukowej i mają różnorodne doświadczenia. Łączy ich jedno – uprawiają naukę na światowym poziomie, mają na koncie imponujące osiągnięcia, a w swoim bogatym CV – różnego typu wsparcie od FNP. Kolejne wywiady będą ukazywać się cyklicznie na stronie FNP.
Zapraszamy do lektury!
Czyste niebo nad Cerro Paranal
Z prof. GRZEGORZEM PIETRZYŃSKIM, astronomem, rozmawia Anna Mateja
Na zdjęciu prof. Grzegorz Pietrzyński podczas konferencji FNP, fot. Magdalena Wiśniewska-Krasińska
ANNA MATEJA: Dlaczego astronomii nie można uprawiać w pojedynkę?
GRZEGORZ PIETRZYŃSKI: Można, wciąż jeszcze zdarzają się prace jednego autora czy pomysły realizowane od początku do końca przez jednego naukowca. Ale kiedy możliwe stały się, dzięki wprowadzeniu nowoczesnych instrumentów, przeglądy ogromnych połaci nieba, czyli obserwowanie milionów gwiazd każdej nocy, w naturalny sposób zaczęto tworzyć zespoły. W przypadku naszych badań, w ciągu piętnastu lat prowadzenia pomiarów odległości we Wszechświecie, uzyskaliśmy czas badawczy na blisko trzydziestu różnych teleskopach i instrumentach w kilku obserwatoriach na różnych kontynentach. W sumie przepracowałem wraz z kolegami 2 tys. nocy. Czy podołałby temu wirtuoz, nawet świetnie zorganizowany i ambitny? Ludzie są też potrzebni do wyławiania z ogromnych baz gromadzonych danych najciekawszych obiektów, które poddawane są dalszym złożonym badaniom. Także polityka instytucji, które finansują badania, sprzyja zespołowemu uprawianiu nauki – wykładają spore sumy, więc oczekują efektów w postaci liczby opublikowanych tekstów i cytowań. Siłą rzeczy, zespół ma większą siłę przebicia niż jednostka. Mimo że czasy wirtuozów się kończą, wciąż jednak to osobowość ma decydujące znaczenie w uprawianiu nauki: pasja, siła przebicia, wytrwałość w dążeniu do celu, umiejętność stawiania właściwych pytań…
… i nawiązywania współpracy.
Zgadza się – sukces zależy także od tego, czy potrafimy poznać się na ludziach, zapewnić im pole do wykazania się, a całość opanować na tyle, by – nikogo nie ograniczając – stworzyć zgrany team. Tak właśnie staram się prowadzić własne grono współpracowników, każdemu z nich zapewniając samodzielność. Tematów nie narzucam – każdy wybiera to, co mu najbardziej w duszy gra, a więc jedni zajmują się np. gwiazdami pulsującymi, które są wykorzystywane do pomiaru odległości w kosmosie, inni układami zaćmieniowymi. Z drugiej strony, pracujemy jednak razem, bo nasze badania mają przecież elementy wspólne: wymieniamy doświadczenia, prowadzimy wspólne obserwacje, analizujemy dane. Taki pomysł na zespół chyba się sprawdza, skoro moi koledzy bronią prace doktorskie i piszą rozprawy habilitacyjne, pokonując kolejne szczeble naukowej hierarchii. A przede wszystkim są samodzielni, co pozwala im się rozwijać w swoich dziedzinach. I trzeba powiedzieć, że niektórzy stali się już w nich światowymi ekspertami.
A w jaki sposób korzyści z posiadania zespołu przekładają się na mierzenie odległości we Wszechświecie?
Najpierw trzeba zaznaczyć, że precyzyjnie wykonany pomiar pozwala określić odległość do wybranego obiektu i jego właściwości (np. ilość emitowanej energii), a w niektórych przypadkach także jego naturę. To podstawa wszelkich badań astronomicznych, w tym stworzenia trójwymiarowej mapy nieba dla poznania ewolucji Wszechświata. Ponieważ nie ma jednej metody mierzenia odległości w kosmosie, powstają różne linijki kosmiczne. Mniej lub bardziej dokładne, ale wszystkie bardzo istotne, bo zależy nam, by mierzyć te same odległości różnymi linijkami – to pozwala sprawdzić, czy nie popełniamy błędów. I jeśli mam zespół badaczy, możemy starannie przestudiować wiele różnych metod, by wybrać te najdokładniejsze.
Także obliczanie odległości do dalszych obiektów sprawdza się w zespole, bo tego rodzaju operacja jest na tyle złożona i pracochłonna, że wymaga wykonania kilku kroków. Najpierw mierzymy odległości do pobliskich galaktyk, gdzie wyszukujemy obiekty o stałym blasku, tzw. świece standardowe, i wyznaczamy ich jasność. Potem, obserwując je w oddaleniu, mierzymy przy ich pomocy odległość. I tak, mozolnie, szczebel po szczeblu, tworzymy kosmiczną drabinę odległości. To jest dokładnie taka sama sytuacja, jak byśmy mierzyli odległość z Zakopanego do Gdańska przy pomocy 20-centymetrowej linijki. Przełożymy ją dziesięć razy i stworzymy miarę dwumetrową, a potem jeszcze dłuższą i jeszcze dłuższą, by ostatecznie poznać dzielący te miejsca dystans. Astronomowie robią dokładnie to samo, tyle że w skali obiektów kosmicznych.
W 2013 r. zespół kierowanych przez Pana naukowców ogłosił w „Nature”, jak daleko od Ziemi znajduje się Wielki Obłok Magellana (z dokładnością do blisko 2 proc.). Dlaczego ta blisko Ziemi położona galaktyka ma takie znaczenie dla pomiaru kosmicznych odległości?
Od kiedy w 1929 r. Edwin Hubble powiązał odległości galaktyk z tzw. prędkościami ucieczki, czyli wykazał ekspansję Wszechświata, pomiar stałej Hubbleʼa opisującej jej tempo uważa się za jedno z najważniejszych zadań astrofizycznych. Po kilkudziesięciu latach badań i obliczeń, które miały doprowadzić do podania precyzyjnej wartości stałej Hubbleʼa (jest to niezbędne dla przewidywania losów Wszechświata, ale też poznania natury ciemnej energii stanowiącej 75 proc. jego masy), stwierdzono, że dzielą nas od tego dokonania trzy kroki. Pierwszy: obliczenie odległości do Wielkiego Obłoku Magellana (co mojemu zespołowi udało się uprecyzyjnić). Znając odległość do tej galaktyki, możemy oszacować jasność licznych w tej galaktyce Cefeid, czyli gwiazd pulsujących, które są doskonałymi wskaźnikami odległości. Przypomina to obserwowanie żarówek o nieznanej mocy z pewnej odległości, którą możemy ocenić po dystansie, z jakiego na nie patrzymy. Krok drugi: obserwując Cefeidy w innych galaktykach, mierzymy odległości do coraz dalszych obiektów, sięgając aż do tych galaktyk, w których obserwowaliśmy wybuchy Supernowych typu Ia. Krok trzeci: znając odległość do kilku Supernowych, możemy wyznaczyć moc tych doskonałych żarówek kosmicznych, by przy ich pomocy wyznaczać odległości na skalach kosmologicznych i stałą Hubble’a.
Jak widać, precyzyjne zmierzenie dystansu, jaki nas dzieli od Wielkiego Obłoku Magellana jest w budowaniu kosmicznej skali odległości najważniejszy, bo pierwszy. Ale i najtrudniejszy. To pierwszy szczebel tzw. kosmicznej drabiny odległości, której konstrukcję rozpoczynamy od ustalenia odległości do najbliższych obiektów, by na tej podstawie szacować wtórne wskaźniki odległości. One z kolei mają nas doprowadzić do pomiaru odległości do najdalszych części Wszechświata. O skali wyzwania niech świadczy powstanie ponad pięciuset wyznaczeń odległości do Wielkiego Obłoku Magellana, z których najbardziej wiarygodne miały dokładność rzędu 10 proc. i często wymagały przyjmowania kolejnych założeń, co dodatkowo utrudniało ich weryfikację. Nasze badania poprawiły dokładność pomiaru pięciokrotnie.
Podanie precyzyjnej wartości stałej Hubbleʼa pozwoli też zbadać naturę ciemnej energii w kosmosie. Dlaczego chcemy wiedzieć, czym ona jest?
Ciemna energia jest tylko jednym z wielu przykładów rewolucyjnych zmian, które się dokonały w astronomii dzięki pomiarom odległości. A czym ona jest? Głównym składnikiem Wszechświata – stanowi blisko 75 proc. jego zawartości, dalsze 20 proc. stanowi ciemna materia. Z tego wynika, że mamy wiedzę na temat zaledwie 5 proc. obserwowanego przez teleskopy nieba.
Miliony gwiazd oglądane każdej nocy to zaledwie 5 proc.?
Tak, więc właściwie możemy powiedzieć, że nie rozumiemy Wszechświata. Nie wiemy, czym jest ciemna energia i z czego się składa. Jedną z metod jej poznania jest dokładny pomiar stałej Hubbleʼa na różnych etapach ewolucji Wszechświata.
Kiedy po raz pierwszy wyjechał Pan do Chile, by obserwować te 95 proc. niewiadomych przez najlepsze teleskopy na świecie?
W 1996 r., a gdyby zsumować czas, który tam spędziłem, wyszłoby co najmniej siedem lat. Mniej więcej 30 proc. czasu w roku spędzam w Chile. W tym wiele nocy w Cerro Paranal albo w Las Campanas w Andach, w północnym Chile, na pustyni Atacama. Jeżeli ułożą się połączenia, można się tam dostać, via Paryż i Santiago, w 24 godziny. W różnych liniach lotniczych mam ponad dwa miliony przelatanych mil!
Obserwatoria na pustyni Atacama mają jednak niepodważalne dla astronomów zalety: co najmniej trzysta bezchmurnych nocy w roku, suche powietrze (roczna suma opadów nie przekracza stu milimetrów), odpowiednia wysokość (ok. 2500 metrów na poziomem morza).
Klimat oraz wysokość, na której buduje się obserwatoria optyczne (z nich właśnie korzystamy), pozwalają uniknąć chmur konwekcyjnych, bo tak wysoko one zazwyczaj się nie wznoszą. Bywa, że nad ranem można zobaczyć ocean obłoków rozpościerających się kilkaset metrów pod obserwatoriami. To jest tak piękne, że czasami, mimo że bywam bardzo zmęczony całonocną obserwacją nieba, nie szedłem spać, byle tylko móc to zobaczyć kolejny raz. A jeśli miałem jeszcze choć trochę siły, zjeżdżałem samochodem na dół, by zanurzyć się w te chmury i poczuć trochę wilgoci.
O możliwość pracy pod tymi teleskopami aplikuje się tak samo, jak o granty potrzebne do prowadzenia badań.
I łatwo nie jest – w przypadku dużych teleskopów (takich jak w Chile, ale też w RPA czy na Wyspach Kanaryjskich) podczas konkursów organizowanych dwa razy w roku na jedno miejsce przypada często dziesięć aplikacji.
Skąd aż taka konkurencja?
Na szczęście jest konkurencja! Dzięki temu realizowane są tylko najlepsze projekty. Liczba chętnych nie powinna dziwić: społeczność astronomiczna jest dość liczna, a potężnych – a więc i kosztownych w utrzymaniu – teleskopów, wraz z dobrze rozbudowanym instrumentarium, zaledwie kilka. Obserwatorium w Cerro Paranal, gdzie noc pracy na teleskopie kosztuje nawet 100 tys. euro, wybudowało Europejskie Obserwatorium Południowe dzięki funduszom wielu krajów europejskich (w tym Polski) i przez nie jest utrzymywane. Rzecz jasna: czas teleskopowy to jedno, a wcześniejsze pozyskanie grantu dla sfinansowania badań to drugie zadanie.
Astronomowie ryzykują więc podwójnie.
Potrójnie, bo jeszcze musi dopisać szczęście, żeby noce były bezchmurne – inaczej tracimy czas i trzeba startować w konkursie ponownie. O czas teleskopowy w znakomitym obserwatorium na Hawajach, które jest umieszczone na szczycie wulkanu, aplikowaliśmy dwa razy. Za każdym razem skutecznie, choć trudno wygrać tam konkurs. Za pierwszym razem był huragan, za drugim – trzęsienie ziemi i część projektu, która wymaga prowadzenia obserwacji z umieszczonych tam teleskopów, do dzisiaj jest niezrealizowana.
Z reguły trudności mają jednak inną skalę, tzn. są do pokonania, o czym nie raz się przekonałem. W 1999 r. pojawiła się pierwsza poświata optyczna wokół błysków gamma – enigmatycznego zjawiska, o którym nikt nie wiedział, czym jest, bo nie znano odległości, z jakiej były widoczne. Jedną z nich obserwowałem, codziennie wykonując teleskopem redukcje, a potem rysując krzywą zmian blasku. Kiedy kończyła się noc, więc i możliwość obserwacji, wysyłałem telegramy, żeby koledzy w innych częściach globu obserwowali poświatę dalej. Potem powstało na ten temat kilka prac, niektóre były nawet publikowane w prestiżowych czasopismach.
W Pana biogramie naukowym co najmniej kilka razy pojawia się informacja o publikacji w „Nature” – wśród polskich naukowców nie jest to częste. Po raz pierwszy publikował Pan na tych łamach…
Pod koniec lat 90., więc dobiegałem trzydziestki. Jeżeli się nie mylę, było ich tam do tej pory osiem (a trzy w „Science”). W przypadku trzech prac, które są głównym nurtem naszego projektu, byłem pierwszym autorem. Pozostałych – współautorem. Polska astronomia jest na znakomitym poziomie i liczy się w światowej nauce. Gdy ogłosiłem nabór do zespołu naukowego po uzyskaniu dofinansowania w ramach programu TEAM Fundacji na rzecz Nauki Polskiej, z prawie trzydziestu zgłoszeń jedynie trzy czy cztery pochodziły z Polski. Reszta kandydatów była z niemal całego świata: USA, Niemiec, Francji, Chin, Indii, Japonii. Pojawiły się nawet osoby, które chciały pracować bez wynagrodzenia, byle tylko móc z nami uczestniczyć w tych badaniach. Rozumiem ten stopień zaangażowania, sam pisałem doktorat w sporym tempie. Pracę doktorską, która dotyczyła gromad gwiazdowych w Wielkiem Obłoku Magellana, wykorzystywanych także do wyznaczania odległości w kosmosie (m.in. umiejscowienie Ziemi w naszej galaktyce ustalono dzięki obserwacjom gromad), napisałem w trzy lata.
Co Pana wówczas pchało do przodu?
Ciekawość. Pasja. Im dalej w las, tym więcej drzew…
Raczej gwiazd.
Szukamy odpowiedzi na jedno pytanie, a kiedy wreszcie ją znajdziemy, okazuje się, że ona rodzi kolejne pytania, a potem następne. To wciąga coraz bardziej. Do dzisiaj wszystkie obserwacje lubię wykonywać samodzielnie, mimo że niektóre z nich, podając szczegóły techniczne, mógłbym zamówić u obsługi obserwatoriów.
Na czym polega wyższość własnego oka nad okiem obsługi?
Trzeba wiedzieć, jak wykonano obserwację, bo to pozwala bardziej umiejętnie przeanalizować zgromadzone dane. Poza tym każdy astronom uważa, że on najlepiej wykona obserwację. Sam też to mam! Gdy znajdę się pod teleskopem, zawsze mi się wydaje, że zrobię to dokładniej od innych: bo przesunę teleskop pół sekundy później albo wcześniej, a to na pewno ma niebagatelny wpływ na efekt… Mówiąc bardziej serio: coś w tym jednak jest, bo sięgnęliśmy takiego poziomu skomplikowania materii, że trudno pozwolić sobie na niedbalstwo czy nadmierne uogólnienia.
Dlaczego w Pomiechówku, niedaleko Nowego Dworu Mazowieckiego, skąd Pan pochodzi, to astronomia wydała się Panu najbardziej ciekawa? Przed osobami ze znakomitymi wynikami z fizyki i matematyki otwiera się przecież sporo atrakcyjnych ścieżek.
Iloma dziedzinami się interesowałem! Chciałem być biologiem, potem sportowcem. Jako nastolatek grałem w siatkówkę, a że uczyłem się w szkole sportowej, większość czasu spędzałem na boisku, nie nad książkami. Szybko się zorientowałem, że zawodowe uprawianie sportu to nie jest dobry przepis na życie i już byłem zdecydowany na fizykę, gdy dwie koleżanki z klasy powiedziały, że one zdają na astronomię… Zacząłem się zastanawiać: może rzeczywiście lepiej wybrać ten kierunek, bo tam znajomość fizyki pomaga odkryć coś nowego? I jeszcze można mierzyć się z pytaniami filozoficznymi, wynikającymi z kontekstu nauk przyrodniczych: skąd wzięło się życie? Jakie jest miejsce człowieka we Wszechświecie? Dokąd zmierzamy? Ostatecznie, koleżanki na astronomię w ogóle nie poszły, a ja zdałem egzaminy. Studenci, których później uczyłem, byli niejednokrotnie laureatami olimpiad astronomicznych albo mieli za sobą pierwsze obserwacje – ja nie miałem o niczym pojęcia i rozpoczynałem studia, żeby się czegoś nauczyć.
To skąd Pan wiedział, że to jest właśnie to, czym chce się zajmować całe życie?
Tego się nie wie, to trzeba poczuć. Byłem na wyjątkowym roku, bo o ile zazwyczaj studia astronomiczne kończy jedna lub dwie osoby, na moim dyplom otrzymały trzy. Teraz mam już tylko kilku doktorantów, ale pracując przez kilkanaście lat na Uniwersytecie Warszawskim, poza uprawianiem nauki, uczyłem studentów i sprawiało mi to dużą frajdę. Poznałem m.in. bardzo zdolnych młodych ludzi, którzy doskonale zdawali egzaminy. Jednak nie wszyscy potrafili wyjść poza odtwarzanie wiedzy, a samodzielna praca przychodziła im z trudem. Tymczasem, mimo że każda nauka wymaga pełnego poświęcenia, także zdecydowania i charakteru, badania astronomiczne, ponieważ są trudne, a kariera niezwykle żmudna, więc łatwo ją przerwać na różnych etapach, muszą jeszcze, mimo wszystko, cieszyć, nawet bawić.
Nie mam wątpliwości, że Pana ta praca bawi. A co sprawia trudność?
Odpowiem tak: w 2007 r., dzięki grantowi z programu FOCUS Fundacji na rzecz Nauki Polskiej, stworzyłem pierwszy zespół badawczy. Właśnie wróciłem ze stażu podoktorskiego na Universidad de Concepción w Chile, z którym współpracuję do dzisiaj, już zajmowałem się odległościami kosmicznymi, więc czas po temu był najwyższy. W tym sensie ten grant był jednym z bardziej istotnych, jakie otrzymałem w życiu, bo pozwolił mi złapać wiatr w żagle. Przyznany trzy lata później TEAM pozwolił mój zespół rozwinąć, ale co bardziej istotne – utrzymać. Bo rzeczywistość jest taka, że instytucje naukowe nie finansują tworzenia grup badawczych, więc naukowcy zdobywanie funduszy na ich działalność traktują jako swój obowiązek. Granty dostaje się zazwyczaj na trzy lata lub – większe – na pięć. Jeśli nie zdobędę środków w odpowiednim czasie, moja grupa, którą tworzy obecnie dziesięć osób, się rozpadnie. A że czuję się odpowiedzialny za ich karierę, uważam za naturalne pisanie wniosków grantowych i obserwacyjnych, rozliczeń czy raportów. Na pracę naukową zostaje mi jednak góra 20 proc. mojego czasu i to jest właśnie ta trudność, o którą pani pyta.
Kiedy ma Pan świadomość, że zagląda pod podszewkę Wszechświata?
W czasie tzw. długiej ekspozycji, kiedy teleskop obserwuje dany obiekt, np. przez godzinę (co jest rejestrowane) i mogę wyjść na zewnątrz, by popatrzeć w niebo gołym okiem, bez tych wszystkich fantastycznych narzędzi. Paradoksalnie, wtedy jest najwspanialej.
A kiedy mam więcej wolnego czasu, wybieram się w południowe Andy i często odwiedzam Indian Mapuche, którzy zamieszkują te tereny od czasów prekolumbijskich. Koczownicze plemię przetrwało czasy konkwisty chyba tylko dzięki temu, że nie stworzyli żadnej struktury społecznej. Nie mają wodza, nie budują miast. Społeczność funkcjonuje w oparciu o rodziny. Nie rozmawiam z nimi o gwiazdach ani o rozszerzaniu się Wszechświata, choć uczyłem się ich języka. Ale kiedy powiedziałem im, że projekt badania odległości w kosmosie nazwaliśmy „Araucaria” – od nazwy drzewa, którego nasiona są podstawą ich wyżywienia – byli wzruszeni, że obcy ludzie potrafią docenić to, co dla nich jest święte.
Tak Pan nabiera dystansu do mozolnych badań?
Niezależnie od skali, dystans jest w cenie. Tym bardziej w astronomii, gdzie niekoniecznie zawsze mamy do czynienia z wielkimi odkryciami, choć nie brakuje fascynujących, jakim jest np. opisanie przyspieszonej ekspansji Wszechświata. Jednak większość naszych prac to solidne badania, które dopiero przygotowują drogę do wielkich odkryć.
A jest w nauce jeszcze na nie miejsce?
Jak najbardziej! Portier w hotelu w Concepción, gdzie się zatrzymałem podczas ostatniego pobytu w Chile, gdy się dowiedział, że jestem astronomem, zapytał: „Czy od lat 20. miały miejsce w fizyce teoretycznej jakieś rewolucyjne odkrycia?”. Odpowiedziałem szczerze: „Nie”. Czekamy na nie, choćby na kwantową teorię grawitacji. A tymczasem dokonujemy szeregu bardzo interesujących odkryć, za które naukowcy otrzymują nagrody Nobla, np. bozonu Higgsa – kolejnej cząstki elementarnej czy rejestracji istnienia fal grawitacyjnych. Ale, jak już mówiłem, każde odkrycie przynosi więcej pytań niż odpowiedzi. Wciąż więc czekamy na odkrycia, które pozwolą powiedzieć, jaki Wszechświat jest: czym jest ciemna energia i ciemna materia, by wyjść wreszcie poza pięć procent tego, co już poznaliśmy.
Prof. GRZEGORZ PIETRZYŃSKI (ur. 1971 w Nowym Dworze Mazowieckim) pracuje w Centrum Astronomicznego im. Mikołaja Kopernika PAN w Warszawie. Laureat programów FNP: FOCUS (2007), TEAM (2010), MENTORING (2012). W marcu 2016 r. otrzymał grant Europejskiej Rady Rozwoju (ERC) dla zaawansowanych badaczy w wysokości 2,4 mln euro na realizację kolejnego etapu prac badawczych, których celem jest wyznaczenie tempa rozszerzania się Wszechświata (projekt „A sub-percent distance scale from binaries and Cepheids”).
Przeczytaj także: