Prof. Monika Mościbrodzka na konferencji EHT z okazji prezentacji zdjęcia cienia czarnej dziury,
źródło: Komisja Europejska
Ciągle nie może się przyzwyczaić, że mówią do niej: “Pani profesor”. Bo ten tytuł Monika Mościbrodzka z Radboud University w Nijmegen w Holandii uzyskała niedawno. Świat poznał ją jako jedyną kobietę w zespole astrofizyków prezentujących słynne zdjęcie cienia czarnej dziury na konferencji Komisji Europejskiej 10. kwietnia tego roku.
Projekt Event Horizon Telescope trwa, a naukowcy nadal analizują dane zebrane przez sieć radioteleskopów z różnych miejsc na Ziemi, które razem stworzyły wirtualny teleskop o wielkości naszej planety. W ten sposób można osiągnąć bezprecedensową rozdzielczość: EHT daje moc obserwacyjną, która umożliwiłaby osobie w Paryżu przeczytanie tekstu w gazecie znajdującej się w Nowym Jorku.
Dzięki temu udało się pokazać na obrazie cień supermasywnej czarnej dziury w centrum galaktyki M87.
Z Moniką Mościbrodzką rozmawialiśmy o kolejnych zadaniach w ramach EHT, o jej pracy nad numerycznymi modelami czarnych dziur, dzięki której znalazła się w tym projekcie, ale również o kobietach w astrofizyce i czarnej dziurze jako ikonie popkultury.
Czy jest życie po projekcie Event Horizon Telescope?
(śmiech) Emocje już trochę opadły. Cały czas jednak praca wre! To nie jest tak, że opublikowaliśmy zdjęcie cienia czarnej dziury i zamknęliśmy projekt. Nadal analizujemy dane, które wtedy pozyskaliśmy. Obraz, który pokazaliśmy na konferencji, to był pierwszy wynik tych analiz.
Co teraz robi superteleskop? Czy może osiem teleskopów, z których powstał, prowadzi osobne obserwacje?
W tym momencie tak właśnie jest. Jako superteleskop EHT działają one tylko przez siedem dni w roku, w kwietniu. W tym roku zresztą takich obserwacji nie było, bo nie pozwoliły na to pogoda i kwestie bezpieczeństwa. Na co dzień każdy z tych teleskopów pracuje osobno, realizując własny program obserwacyjny. Kiedy przychodzi czas na wspólną obserwację EHT, są kierowane w ten sam punkt na niebie.
Prof. Monika Mościbrodzka na konferencji EHT z okazji prezentacji zdjęcia cienia czarnej dziury,
źródło: Komisja Europejska
Pani też robi inne rzeczy, oprócz projektu EHT? Czy nadal wymaga on podejścia “wszystkie ręce na pokład”?
Można tak powiedzieć, ale jako profesor na uniwersytecie mam też inne obowiązki. 50 proc. mojej pracy to nauczanie i wykłady, a 50 proc. – research, który w tej chwili rzeczywiście koncentruje się na danych pozyskanych dzięki EHT.
Jakie rodzaju są to dane?
EHT to teleskop milimetrowy. To oznacza, że obserwuje fale radiowe o długości około 1,3 mm. To mniej więcej takie, jakie emitują skanery 3D do prześwietlania podróżnych na lotnisku.
Nie są to zatem dane optyczne! Światło, które do nas dociera dzięki EHT, nie jest światłem widzialnym – tak nazywa się tylko część promieniowania elektromagnetycznego, na którą reaguje ludzkie oko w procesie widzenia. Dla siatkówki naszego oka długość fal widzialnych waha się między 380 a 750 nm.
W rzeczywistości słynne zdjęcie cienia czarnej dziury jest więc nieco “oszukane”, bo to obraz radiowy, do którego dodaliśmy kolory – tak, żeby ludzie mogli zobaczyć wynik naszych obserwacji. Można powiedzieć, że “przetłumaczyliśmy” dane radiowe na “język” zrozumiały dla ludzkiego oka.
Jak wygląda praca superteleskopu EHT?
Teleskopy, które działają razem jako EHT, są rozsiane po kuli ziemskiej, dlatego można powiedzieć, że z każdego z nich dostajemy tylko mały kawałek obrazu. Poszczególne teleskopy dzielą tysiące kilometrów, więc obrazy przez nie rejestrowane nie mają wspólnych “krawędzi” i nie można po prostu dopasować ich do siebie tak, żeby stworzyły całość – są między nimi luki. Dlatego na konferencji, na której prezentowaliśmy zdjęcie cienia czarnej dziury, mówiłam, że obraz, który wyłania się z tych danych, jest niekompletny. To są puzzle, które nie tylko musimy ułożyć, ale jeszcze dodać do nich brakujące elementy.
Jak się uzupełnia te luki?
Za pomocą algorytmów, które stworzyliśmy, żeby taki obraz miał sens w świetle obowiązujących zasad fizyki, i żeby był jak najprostszy.
Pani zajmuje się modelami numerycznymi czarnych dziur. Jak wygląda model numeryczny, wie każdy, kto widział mapę pogody – tu mamy graficzny obraz danych rejestrowanych przez satelity. Skąd się bierze dane do modeli numerycznych czarnych dziur?
Nie ma w nich żadnych “twardych” danych. Dla każdego modelu sami dobieramy wartości parametrów. Czarna dziura jest o tyle prostym obiektem, że opisują ją zasadniczo dwa parametry: masa i spin (wirowanie).
Obliczenia wykonuje superkomputer, biorąc pod uwagę zadane wartości. Algorytm, którym się posługuje, oparty jest na założeniach wynikających z naszego stanu wiedzy o czarnych dziurach. A wiemy na pewno, że są wokół nich gazy, plazma, a samą czarną dziurę jako zjawisko opisują równania ogólnej teorii względności.
Wszystko to zbiera w jedną całość superkomputer, a wyniki jego obliczeń pozwalają nam stworzyć syntetyczny, graficzny obraz czarnej dziury. Później porównujemy go z obserwacjami i na tej podstawie możemy dowiedzieć się czegoś konkretnego o tej rzeczywistej czarnej dziurze, np. wyliczyć jej masę albo rotację czy sprawdzić, co w danym momencie dzieje się z plazmą wokół niej.
Można więc uznać, że takie modele są również czymś w rodzaju “prognozy pogody”, tyle że wokół czarnej dziury.
Model numeryczny czarnej dziury prof. Moniki Mościbrodzkiej z 2016 r. (góra) i symulacja zdjęcia EHT autorstwa Freeka Roelofsa (dół), źródło: http://www.astro.ru.nl/~monikamo/
Modele pozwalają nam więc “zobaczyć” czarną dziurę?
Poniekąd tak. Bo musimy pamiętać, że prawdziwej czarnej dziury nie da się zobaczyć! Na zdjęciu, które wykonaliśmy w ramach projektu EHT, widać tylko światło generowane przez plazmę, która opada w jej polu grawitacyjnym – to ten niepełny pomarańczowy pierścień. Czarna dziura rzuca na tę plazmę cień i to właśnie cień czarnej dziury, a nie czarna dziura jako taka, jest widoczny na fotografii.
Skąd wzięło się Pani zainteresowanie czarnymi dziurami?
Jeszcze w liceum fascynowały mnie matematyka i astronomia, pochłaniałam książki popularnonaukowe. Później, kiedy już robiłam doktorat z astrofizyki w Centrum Astronomii imienia Mikołaja Kopernika w Warszawie, temat czarnych dziur podsunęła mi moja promotorka, prof. Bożena Czerny. Pamiętam, jak zaproponowała: “To takie ciekawe obiekty, a jeden jest blisko – w centrum naszej galaktyki. Może chciałabyś zająć się jego komputerowymi modelami?”.
Tak zrobiłam. Czarna dziura, o której wspomniała mi wtedy prof. Czerny, jest – obok tej w odległej galaktyce M87 – kolejnym obiektem, którymi zajmujemy się w ramach EHT. Mogę więc powiedzieć, że oba te obiekty już dobrze znałam, zanim projekt ruszył. Przy czym jego oficjalny start datuje się na 2017 r.
Od początku zajmowała się też Pani programowaniem?
Tak, bo dziś astrofizyka bez tego nie istnieje! Mamy tak precyzyjne narzędzia do obserwacji, że dostarczają nam one ogromnych pakietów danych. Mogą je przeanalizować tylko superkomputery, ale to my odpowiadamy za algorytmy, którymi posługują się takie maszyny. Do stworzenia takiego algorytmu, obok samej umiejętności napisania kodu, konieczna jest merytoryczna wiedza.
Jednak o mojej dziedzinie, czyli tworzeniu modeli numerycznych, mówi się już konkretnie “astrofizyka numeryczna” albo, nieco bardziej potocznie, “astroinformatyka”. Żeby powstał model numeryczny, trzeba stworzyć algorytm oparty na ogólnej teorii względności i wprowadzić do niego konkretne liczby. Całe to moje “programowanie” to po prostu całkowanie równań różniczkowych (śmiech).
Uczyła się tego Pani na studiach?
Na studiach akurat nie, ale na UW zrobiłam jeden kurs programowania. Bardzo retro – to był chyba Fortran 77! Było to niemal dwadzieścia lat temu, ale nawet wtedy był to już przestarzały język. Później programowania uczyłam się już samodzielnie, dziś znam kilka języków. Cóż, kiedy już się opanuje teorię względności, programowanie nie jest dużym wyzwaniem (śmiech).
Kody, których używam w pracy, są ogólnie dostępne – niektóre wrzuciłam na GitHuba (to jeden z głównych algorytmów używanych do modelowania obrazów czarnych dziur w EHT – przyp. prof. Moniki Mościbrodzkiej)
Jak to się stało, że znalazła się Pani w projekcie EHT?
Wyszło to trochę “organicznie”. Środowisko astrofizyków jest małe, więc pracowaliśmy ze sobą i znaliśmy się na długo przed EHT.
W pewnym momencie osoba, z którą współpracowałam, dostała duży grant na wykonanie zdjęcia czarnej dziury, więc nasze badania zaczęły iść w tym kierunku. Te same granty trafiły do kolejnych naukowców, i oni też zaangażowali się w ten projekt. Dopiero wtedy miała miejsce nieco bardziej oficjalna rekrutacja – tu już decydowały kompetencje.
Co zdecydowało o tym, że Pani się dostała?
Jestem po prostu najlepsza! (śmiech). Serio, moje modele okazały się najbliższe temu, co zaobserwowaliśmy w ramach EHT. Nie chodzi tylko o dokładność samego całkowania, choć i tu miałam najlepszy wynik. Także moje algorytmy okazały się najszybsze, a przy tak skomplikowanych operacjach matematycznych tempo pracy ma ogromne znaczenie.
Dlatego inni naukowcy, którzy brali udział w EHT, tworzą teraz kolejne modele w oparciu o te moje! W ten sposób powstaje ogromna biblioteka modeli czarnych dziur. Obserwacje z czasem pozwolą nam zrekonstruować już nie zdjęcie, a “film” pokazujący otoczenie czarnej dziury. Będzie na nim widać, jak zmienia się ten pierścień materii wokół niej. Coraz bardziej skomplikowane modele będą też niezbędne do interpretacji takich “filmów”.
Dużą ma Pani konkurencję?
Naukowców o tej specjalizacji jest góra dwudziestu na świecie, m.in. na Uniwersytetach Harvarda czy Illinois – na tym ostatnim zresztą odbyłam staż podoktorski.
Czy cokolwiek Panią zaskoczyło w wynikach Pani badań?
Nie, a trochę szkoda! (śmiech) Zaskakujące wyniki uczą najwięcej, bo skłaniają do dalszych poszukiwań. Tymczasem nasze obserwacje w ramach EHT potwierdzają po prostu to, co już wiedzieliśmy o czarnych dziurach i zasadach fizyki jako takich. W sumie, to nawet pokrzepiające…
Czego się jeszcze dowiemy dzięki dalszej analizie danych zebranych przez EHT?
Na pewno opublikowane dane nie zaprzeczają ogólnej teorii względności Alberta Einsteina. Co dalej? Na razie traktujemy czarne dziury jako laboratoria ekstremalnej fizyki. Bo w ich rejonie wszystko jest ekstremalne! Materia przybiera postać silnie zjonizowanej plazmy, dużo gorętszej, niż ta w okolicach Słońca. Czarne dziury mają też bardzo silne pole magnetyczne, nawet sto tysięcy razy silniejsze, niż np. to na Ziemi. To zatem idealny “poligon”, żeby przetestować zasady naszej fizyki. Teoria, która dobrze działa w warunkach ziemskich, ale zawodzi, gdy mamy do czynienia z ekstremami – wymaga weryfikacji.
Jak zareagowaliście, kiedy pierwszy raz zobaczyliście obraz cienia czarnej dziury?
On jest dla nas niezwykle piękny, to był moment ogromnego wzruszenia. Drugi – przyszedł na konferencji, na której go prezentowaliśmy, czyli przeszło rok później. W ciągu tego roku musieliśmy zweryfikować wszystkie wyniki i dopełnić formalności, a to nie jest łatwe, kiedy współpracuje ze sobą ponad dwieście osób rozsianych na wszystkich kontynentach. Mieliśmy już to zdjęcie, ale nie mogliśmy o nim mówić, i strasznie nas to męczyło!
Wasza praca raczej nie sprzyja regularnemu trybowi życia.
Zdecydowanie nie! W pracy jesteśmy w praktyce 24 godziny 7 dni w tygodniu. Pewne rzeczy trzeba zrobić szybko, a łączymy się o różnych godzinach, bo żyjemy w różnych strefach czasowych. Mam w tygodniu trzy, cztery kilkugodzinne rozmowy z naukowcami z całego świata. Bez przerwy się kłócimy (śmiech). A mówiąc serio, to są konstruktywne spory, choć bywa, że towarzyszy im stres czy nerwy.
Studenci traktują Panią teraz jak gwiazdę? Czy to bardziej czarne dziury stały się dla nich celebrytkami?
Widzę większe zainteresowanie czarnymi dziurami. Może dlatego, że w końcu wiadomo o nich coś konkretnego, a są przecież uważane za jedne z najbardziej tajemniczych obiektów w kosmosie – stąd może ich popularność w popkulturze…
Skoro już mowa o studentach, trzeba powiedzieć, że wielu z nich wykonało przy EHT tzw. silent job – prowadzili obliczenia, asystowali przy kluczowych zadaniach. Teraz piszą o tym doktoraty. Najmłodsza taka osoba miała 18 lat!
Filmik pokazuje teoretyczny ruchomy model czarnej dziury autorstwa prof. Moniki Mościbrodzkiej
Poruszyła Pani ciekawy temat – czarnych dziur w popkulturze…
Bardzo podobał mi się film “Interstellar”, moim kolegom i koleżankom z zespołu też. Był zresztą dość wiarygodny naukowo, choć czarna dziura została w nim upiększona – taki trochę Photoshop, żeby wyglądała bardziej efektownie (śmiech).
Była Pani jedyną kobietą na konferencji, w czasie której pokazano zdjęcie cienia czarnej dziury. Tak się złożyło czy astrofizyka jest rzeczywiście zdominowana przez mężczyzn?
Przy projekcie EHT pracuje około 20 kobiet, ale prawda jest taka, że niewiele ich jest w astrofizyce. Na początku studiów, które prowadzą do tej specjalizacji, proporcja płci jest dość wyrównana, ale później, kiedy już mówimy o pracy naukowej, widać liczebną przewagę mężczyzn. Może chodzi o podejście profesorów starej daty, którzy bywają uprzedzeni do kobiet? Nie bez powodu tak wiele Polek w astrofizyce to doktorantki prof. Bożeny Czerny.
Z drugiej strony, może to również kwestia tego nieregularnego trybu życia, o którym rozmawiałyśmy? Wiele kobiet szuka równowagi między pracą a życiem rodzinnym, a w astrofizyce jest o nią bardzo trudno. To dobry temat na małe “śledztwo dziennikarskie”. No i fajnie by było, gdyby to się zmieniło!
