Dla Williama Jonesa i Anne Gambrel najlepszy widok Wszechświata to ten widziany z odległości 32 km ponad lodowymi polami Antarktydy. Z tego specjalnego punktu obserwacyjnego teleskopy balonowe mogą badać słabą kosmiczną poświatę – pozostałość pierwszego światła wyemitowanego po Wielkim Wybuchu, prawie 14 miliardów lat temu.
Teleskopy SPIDER zostały zaprojektowane, aby odpowiedzieć na niektóre z najbardziej trudnych pytań w astrofizce – na przykład o to, jak szybko dawniej rozszerzał się Kosmos. Dane zebrane w tym projekcie mogą również pomóc naukowcom w wyjaśnieniu innych ciekawych aspektów Wszechświata, takich jak jego niemal jednorodna temperatura i wyjątkowa płaskość, których nie da się wytłumaczyć samą teorią Wielkiego Wybuchu.
Jednak przez ostatnią dekadę zespół badawczy kierowany przez Jonesa, profesora fizyki na Uniwersytecie Princeton, borykał się z bardziej ziemskimi sprawami: zmianą rządu, niechętną do współpracy pogodą, a teraz globalną pandemią – z których wszystkie anulowały loty teleskopów. Od czasu otrzymania dofinansowania w 2010 roku SPIDER wykonał tylko jeden z dwóch zaplanowanych lotów. Opóźnienia te spowolniły nie tylko postęp naukowy, ale także karierę zespołu badawczego. Wielu naukowców, w tym Gambrel, która pracowała z Jonesem w Princeton, zanim uzyskała tytuł doktora na Uniwersytecie w Chicago w 2018 roku, musiało odłożyć w czasie plany lub zmienić zakres swoich badań z powodu tych niepowodzeń.
Historia projektu SPIDERA odzwierciedla zmagania kosmologów. Teleskopy muszą stawić czoła trudnym warunkom pogodowym, aby zbierać niezwykle precyzyjne pomiary. To mnóstwo opóźnień, wyzwań i różnego rodzaju wpadek – mówi John Kovac, astronom z Uniwersytetu Harvarda, który prowadzi oddzielną grupę misji badawczych na Antarktydę. – [Gromadzenie danych] to długoterminowa inwestycja i wysiłek – dodaje.
Ale zarówno sam SPIDER, jak i naukowcy nie poddają się. Dzieje się tak, bo eksperymenty takie jak ten są jednym z niewielu sposobów obserwacji ekstremalnych warunków wczesnego Wszechświata, w którym temperatury były trylion razy wyższe niż cokolwiek stworzonego w ramach eksperymentów prowadzonych przez ludzi. W takich temperaturach nasze rozumienie fizyki w zasadzie się załamuje.
Jak wyjaśnia Jones, prawa natury, które możemy badać na Ziemi, ograniczają się do tego, co jest dla nas dostępne. Kto jednak wie, jakie prawa natury mają zastosowanie w znacznie większej skali? A jeśli chcemy zbadać i to, musimy użyć całego Wszechświata jako laboratorium.
Na ilustracji: Pogoda wokół stacji McMurdo, położonej na południowym krańcu Antarktydy, może być bardzo zmienna. Naukowcy musz tam znosić wiatry wiejące z prędkością rzędu nawet 90 km/h i mroźne temperatury sięgające -73 stopni Celsjusza.
Źródło: The SPIDER Collaboration
Przygotowanie obserwatoriów SPIDER do lotu to wielomiesięczny, złożony proces, który wymaga umiejętności, skomplikowanej logistyki i odrobiny szczęścia. Aby wystrzelić je ze stacji McMurdo, największego ośrodka badawczego Antarktydy, naukowcy muszą poradzić sobie z kaprysami pogody zarówno w stratosferze, 32 km nad Ziemią, jak i znacznie bliżej Ziemi. Możliwe daty ich rozmieszczenia w atmosferze są ograniczone do miesięcy zimowych, kiedy wir polarny – wzorzec wiatrów stratosferycznych – jest wystarczająco silny, by pokierować lotem balonu ku jego przewidywalnej trajektorii w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara wokół całego kontynentu. Ale naukowcy muszą również walczyć z pogodą bezpośrednio ponad stacją McMurdo, ponieważ potrzebują 12-godzinnego „okna”, okresu spokojnego wiatru i czystego nieba, aby wystrzelić swój balon. Jones szacuje, że takich dni jest około pięciu w całym roku.
Stawka jest niewiarygodnie wysoka – mówi Jones. – Jeśli coś pójdzie nie tak, możemy przez rok mieć zamrożony projekt, dla wszystkich członków zespołu.
Dla Jonesa, Gambrel i innych badaczy przygotowanie do zimowego rozmieszczenia teleskopów na Antarktydzie jest wyczerpującym procesem, który rozpoczyna się w czerwcu, gdy cały zespół i teleskopy podróżują ze swoich domów w Princeton w stanie New Jersey do specjalnego ośrodka NASA w Teksasie. Ten trzymiesięczny pobyt, zwany też teksańską wyżymaczką, wypełniają długie godziny, podczas których naukowcy ćwiczą rozpakowywanie i składanie SPIDER-ów, upewniają się, że wszystko dobrze współpracuje z oprzyrządowaniem telemetrycznym dostarczonym przez NASA. Udoskonalenie logistyki ma kluczowe znaczenie, ponieważ na Antarktydzie zespół będzie miał niewiele czasu na wystrzelenie teleskopu SPIDER, nim pojawiający się wir polarny zaniknie.
Izolacja Palestine – małego teksańskiego miasteczka liczącego 20 000 mieszkańców, otoczonego lasami – również przygotowuje naukowców do stresu i jałowej izolacji, jakiej doświadczą później na Antarktydzie. Pod pewnymi względami, bez świeżości bycia na innym kontynencie, samotność związana z przebywaniem z dala od rodziny i przyjaciół jest jeszcze gorsza w Teksasie.
Wszyscy byliśmy bardzo mocno związani naszymi wspólnymi frustracjami i poświęceniami, które ponieśliśmy – mówi o tym Gambrel. – Bycie w ciasnej grupie pomagało w złych czasach, a czasami bywały one złe – dodaje.
W 2013 roku, zgodnie z planem, SPIDER został wysłany na stację McMurdo pod koniec lata. W międzyczasie zespół wrócił do Princeton, aby odzyskać siły na kilka tygodni przed planowanym wyjazdem na Antarktydę w połowie października.
Nie łatwiej było w roku 2015. Uczeni, wezwani o 3 nad ranem w Nowy Rok przez raporty o dobrej pogodzie, wygramolili się ze swoich łóżek na stacji, aby skalibrować SPIDER i przetoczyć go na platformę startową, tylko po to, by czekać prawie cały dzień na ostateczną decyzję. Naukowcy długie spędzali godziny na nerwowych rozmowach z kolegami i spacerowaniu przy robieniu zdjęć.
Gdy wiatry na dużych wysokościach zmieniły się i zwiastowały okno startowe, nastrój w sterowni zmienił się z wesołego na niespokojny i maniakalny. Gambrel monitorowała temperaturę ładunku zza szeregu komputerów i starała się zachować cierpliwość oraz spokój.
Nie spałam poprzedniej nocy, ponieważ wszystko, na co pracowaliśmy, było ważne właśnie wtedy – wspomina po latach. – Wszyscy mieliśmy swoje listy kontrolne do przejrzenia – i tak w kółko... więc chcieliśmy się pospieszyć i zrobić to tego ranka. Kiedy wreszcie nadszedł czas, SPIDER wystartował bez żadnych problemów.
Balon, który w końcu wypełnił się powietrzem aż do rozmiarów stadionu piłkarskiego, wzniósł się w górę na bezchmurne, błękitne niebo. Podążający pod spodem, długi kabel łączący balon z SPIDEREM był zapętlony do góry i ciągnął się naprężony z powodu przypięcia całego urządzenia do ziemi zaciskami dźwigu. W końcu z brzękiem uwolniono w górę lata pracy, nadziei i niepokoju –pozwolono teleskopowi i balonowi wznieść się w górę, stać się coraz mniejszymi i mniejszymi, aż stały się nie do odróżnienia od reszty nieba.
Był to jeden z najbardziej zapamiętanych dni w moim życiu – mówi Gambrel.
Przez 16 dni SPIDER dryfował ponad atmosferą, a co za tym idzie, miał świetny widok na „światło” emitowane bezpośrednio w Wielkim Wybuchu. Zwane jest ono mikrofalowym promieniowaniem tła i rozciągało się wraz z rozszerzaniem się Wszechświata w czasie, co czyni je niewidocznymi dla ludzkiego oka. Tylko przez soczewkę teleskopów mikrofalowych SPIDER (lub innych podobnych instrumentów) można zobaczyć takie promieniowanie, ozdobione dodatkowo śladami grawitacji z bardzo, bardzo wczesnego Wszechświata. Po zmapowaniu matematycznym te dawne wzorce, dziś osadzone jako zniekształcenia w obserwowanym kosmicznym promieniowaniu tła, można zwizualizować jako specyficzne wiry w kształcie wiatraczków na niebie.
Na zdjęciu: Przykład wyraźnego wirującego wzoru znanego jako polaryzacja w modzie B, jaki zmarszczki grawitacji pochodzące jeszcze z niemowlęcego wszechświata mogą odcisnąć na kosmicznym tle promieniowania mikrofalowego.
Źródło: Annual Review of Astronomy and Astrophysics (https://doi.org/10.1146/annurev-astro-081915-023433)
COVID-19 zmusił zespół Jonesa, podobnie jak wielu na całym świecie, do zmiany codziennych zajęć i ponownego zdefiniowania celów. Drugi, kolejny start dla zespołu SPIDER byłby kluczową okazją do pomiaru światła przy użyciu szerszego zakresu długości fal. To podejście, które pomogłoby złagodzić efekt zaciemnienia galaktycznego pyłu, który jak dotąd tylko komplikował analizę danych. Ale zamiast przygotowywać się do kolejnego lotu, posuwają się teraz naprzód w analizie danych, jaką mogą przeprowadzić budową coraz bardziej czułych detektorów mikrofalowych. Tak więc, pomimo opóźnień w lotach SPIDER, kilku absolwentów ukończyło w międzyczasie prace doktorskie oparte na budowie nowych instrumentów, a nie na uzyskiwaniu nowych pomiarów z Antarktydy.
Dla naukowców SPIDER to nie tylko okazja do przeprowadzenia wielkiej nauki, ale także szansa na rozwinięcie dodatkowych umiejętności, takich jak pisanie kodu lotu i rozwijanie złożonych systemów napędzających i orientujących teleskopy. Te zdolności pomagają odblokować wiele dodatkowych drzwi w astrofizyce.
Staram się nie skupiać na niepewności samego projektu – mówi Suren Gourapura, student drugiego roku studiów magisterskich, który dołączył do badań w styczniu, kilka miesięcy przed zamknięciem Uniwersytetu Princeton z powodu Covid. – Tak długo, jak będę się ciągle uczyć i stawać się częścią zespołu. To jest dla mnie naprawdę ważne.
Ciągły rozwój umiejętności naukowców ma kluczowe znaczenie także dla Jonesa, który postrzega projekt SPIDER jako coś więcej niż eksperyment naukowy, a program, który kształci wysoko wykwalifikowany personel. Jednak ilość pracy, jaką można wykonać, jest ograniczona, dopóki SPIDER pozostaje uziemiony. Opóźnienia niewątpliwie dały się we znaki. Następna najwcześniejsza data możliwego lotu, jeśli wszystko przebiegnie zgodnie z planem, to grudzień 2021 roku Na razie zespół może tylko czekać.
Czytaj więcej:
Źródło: Astronomy.com
Opracowanie: Elżbieta Kuligowska
Na zdjęciu: Piękne nocne niebo w Palestine w Teksasie od czasu do czasu daje naukowcom pretekst do relaksu przed powrotem do ośrodka NASA i kontynuowaniem prac nad testami możliwości lotów SPIDER.
Źródło: The SPIDER Collaboration
