Pół wieku pulsarów

Jednym z najważniejszych osiągnięć XX-wiecznej radioastronomii było odkrycie  (przyjmuje się często datę 28 XI 1967 r. –  zatem w dniu dzisiejszym (28 XI 2017 r.)  mija równo pięćdziesiąt lat od tego wydarzenia) tzw. pulsarów. Pomimo tego, że odkrycie pulsarów (gwiazd neutronowych) zostało dobrze udokumentowane przez samych odkrywców, to jednak relacje na temat tego odkrycia zawarte w monografiach z zakresu historii astronomii zawierają liczne uproszczenia, a nawet błędy.

Przede wszystkim należy zauważyć, że przyczyną tego stanu rzeczy jest wadliwa koncepcja odkrycia naukowego, według której wielkie przełomy  w nauce dokonywane są dzięki połączeniu geniuszu i heroizmu. Nie odpowiada to  faktycznej praktyce naukowej. Badania historyczne często odsłaniają złożone kulisy odkrycia, pokazując przypadki odkryć nie uświadomionych bądź zlekceważonych, a przede wszystkim odkryć dokonanych dzięki przypadkowi i szczególnemu zbiegowi okoliczności. Nie są doceniane koncepcje teoretyczne, które powoli torują drogę do odkrycia naukowego, a zwłaszcza pozwalają na szybką jego interpretację. Przeceniane są natomiast prefiguracje odkryć naukowych. Pozwala to wzmacniać interpretacje teoretycznych spekulacji jako genialnych antycypacji późniejszych odkryć, ale także umacnia tzw. rewolucyjną lub paradygmatyczną wizję nauki. Szczegółowe badania wskazują raczej na ciągły (ewolucyjny) charakter wzrostu wiedzy naukowej, ale taka wizja nauki nie jest wystarczająco atrakcyjna nie tylko dla nauki popularnej, ale także dla filozofii nauki, a nawet dla historii nauki.

W historii astronomii rozpowszechniona jest interpretacja, zgodnie z którą istnienie gwiazd neutronowych (tzw. pulsarów) zostało teoretycznie przewidziane wkrótce po odkryciu przez J. Chadwicka (1891-1974) neutronu. Interpretacja ta została powszechnie zaakceptowana i bardzo silnie rozpropagowana w tekstach popularyzujących osiągnięcia XX-wiecznej astronomii. Jednakże istnieją ważne powody by taką interpretację zakwestionować. Przykładowo nie jest bowiem prawdą, że hipoteza Baadego i Zwicky’ego ,,[…] przeszła bez echa i dopiero w 1967 roku obiekty takie znaleziono’’ [M. Hoskin (red.), Historia astronomii, s. 265]. Hipoteza ta była dyskutowana już w 1939 r. m.in. przez Félixa Cernuschi’ego (1907-1999), Richarda Tolmana (1881-1948), Freda Hoyle’a (1915-2001), a w roku 1959 przez  Alistaira G. Camerona (1925-2005), który  powołując się bezpośrednio na pracę F. Zwicky’ego rozważał nawet model gwiazd neutronowych. W marcu 1964 r. w Goddard Institute for Space Studies  odbyła się konferencja naukowa poświęcona gwiazdom neutronowym i kosmicznym źródłom promieniowania rentgenowskiego. Cameron w 1965 roku wysunął tezę, zgodnie z którą  gwiazdy neutronowe można by identyfikować z dyskretnymi źródłami promieniowania rentgenowskiego.

Warte zauważanie jest to, że  na cztery lata przed okryciem gwiazdy neutronowej w Mgławicy Krab Cameron proponował eksperyment, który mógłby potwierdzić taką hipotezę. Artykuł Camerona spotkał się z bardzo dużym zainteresowaniem i był wielokrotnie cytowany nie tylko w 1965 r., ale także w latach następnych stąd zapewne znajomość tego teoretycznego tekstu nie dziwi u empiryków z Obserwatorium Mullarda. Na ironię zakrawa fakt, iż nie znali oni artykułu Franca Paciniego (1939-2012),  który ukazał w ,,Nature’’ 11 listopada 1967 r., czyli w czasie ich gorączkowych poszukiwań interpretacji dla swojego odkrycia. Interpretacja taka była zawarta w tym artykule, ale obserwatorzy z Uniwersytetu w Cambridge woleli podać bardziej konserwatywną interpretację gwałtownie pulsującego radioźródła jako drgającego białego karła, aczkolwiek możliwości, że jest to (pulsująca) gwiazda neutronowa nie wykluczyli. Modelu rotującej gwiazdy neutronowej z osią obrotu nachyloną pod pewnym katem do osi pola magnetycznego w ogóle nie rozważali. W tym kierunku szły jednak teoretyczne rozważania Paciniego. Był to czas poszukiwań gwiazd neutronowych i nie można o tym zapominać nawet w obliczu odkrycia dokonanego  przez radioastronomów Obserwatorium  Mullarda. Koncepcję gwiazd neutronowych w okresie przedwojennym, bezpośrednio po odkryciu neutronu, rozważał także niezależnie Lew D. Landau (1908-1968).

Ożywienie problematyki gwiazd neutronowych przyniosło odkrycie kosmicznych źródeł promieniowania rentgenowskiego. Stało się to możliwe dzięki wykorzystaniu sztucznych satelitów, które znajdując się poza zasięgiem ziemskiej atmosfery mogły odbierać takie promieniowanie. Już w rok po II wojnie światowej (październik 1946) udało się zarejestrować promieniowanie ultrafioletowe pochodzące ze Słońca. Zespół Tousey’a wykorzystujący do tego przedsięwzięcia niemieckie rakiety V2 miał największe sukcesy, ale dopiero we wrześniu 1949 r. Herbert Friedman (1916-2000) i jego zespół zarejestrował promieniowanie rentgenowskie pochodzące ze Słońca, potwierdzając przy okazji założenie B. Edélena o bardzo wysokiej temperaturze korony słonecznej. Kolejne  osiągnięcia były możliwe dopiero w erze kosmicznej. W czerwcu 1962 r. zespół Riccarda Gaicconiego (1931-) zaobserwował pierwsze źródło promieniowania rentgenowskiego spoza Układu Słonecznego. Źródło okazało się dyskretne i bardzo intensywne. Zostało zlokalizowane w gwiazdozbiorze Skorpiona i skatalogowane jako (Sco X-1).

Prawdą też nie jest to, że tylko Antony Hewish (1924-), radioastronom z Cambridge, oraz jego studentka Jocelyn Bell (1943-)  skonstruowali niezbyt wymyślny, ale skuteczny radioteleskop.

Radioteleskop, o którym jest mowa, rzeczywiście powstał w nietypowy sposób i bardzo niewiele kosztował, ale nie było tak, że dokonały tego tylko dwie osoby (trzeba było połączyć m.in. ok. 216 km różnych kabli oraz 2¹¹ = 2 048  dipoli). Faktycznie budowali go studenci uniwersytetu w Cambridge (pięciu studentom astrofizyki pomagali liczni studenci z innych wydziałów) w ciągu kilku miesięcy pod nadzorem nielicznych inżynierów, którym konsultacji udzielali astrofizycy, w tym A. Hewish. Całość przedsięwzięcia zamknęła się kwotą 15 tys. funtów szterlingów. Radioteleskop był już gotowy w lipcu 1967 r., ale pierwsze obserwacje rozpoczęły się kilka miesięcy później.

https://www.aps.org/publications/apsnews/200602/history.cfm

Odkrycie pulsarów jest przykładem, który pokazuje, że bardzo śmiałe teorie okazują się w efekcie zbyt konserwatywne. Przychylna teoretycznemu wizjonerstwu  interpretacja miała na celu wesprzeć tendencje, które dały się zauważyć w astronomii już w latach 50-tych ubiegłego wieku. Wówczas pojawili się astronomowie, którzy zaczęli wysuwać bardzo śmiałe koncepcje teoretyczne. Astronomowie starej daty dobrze oceniali te tendencje. Świetnie podsumował je Edwin Hubble, w krótkiej wypowiedzi skierowanej do  Martina Schwarzschilda. ,,Jeśli Spitzer i Pan, i [Leo] Goldberg, [Lawrance] Aller zdominujecie astronomię amerykańską w najbliższych dekadach, nigdy już niczego nie odkryjemy, ponieważ zmusicie wszystkich do obserwacji, mających na celu weryfikowanie waszych teorii’’ [K. Croswell, Alchemia nieba, s. 133].

Tendencje te  nasiliły się w związku  z odkryciem tzw. promieniowania reliktowego, które potwierdzało spekulatywne teorie kosmogoniczne, wysunięte w latach 30-tych ubiegłego wieku. Odkrycie pulsarów również  zostało zinterpretowane jako doświadczalne potwierdzenie koncepcji teoretycznych wysuniętych już w pierwszej połowie  lat 30-tych XX wieku. Może wydawać się paradoksem, że koncepcja teoretyczna musi tak długo czekać na swoje obserwacyjne potwierdzenie. Jeżeli nauka dynamicznie się rozwija, to w okresie kilkudziesięciu lat koncepcje teoretyczne bardzo szybko stają się anachroniczne. Twierdzenie, że teoria może być aż tak bardzo wizjonerska, najczęściej nie jest dobrze osadzone w faktach, a jedynie obliczone jest na działanie propagandowe.

Walter Baade  (1893-1960) i Fritz Zwicky (1898- 1974) sugerowali, że pozostałością po wybuchu supernowych mogą być bardzo gęste i gorące obiekty, które szybko stygłyby emitując promieniowanie kosmiczne (neutrinowe). Oryginalność pomysłów Zwicky’ego powodowała, że miał opinię naukowego rewolucjonisty, ale część z jego koncepcji weszła na trwałe  do standardowych modeli rozwijanych we współczesnej astrofizyce i kosmologii. Najbardziej reprezentatywnym przykładem jest wysunięta przez Zwicky’ego koncepcja ciemnej materii. Zwicky opracował i rozpowszechnił nowe ujęcie analizy problemu nazwane przez niego metodą morfologiczną. Później Zwicky rozwinął tę koncepcję pisząc wprost o gwiazdach neutronowych, ale nie o pulsarach, tzn. takich obiektach, które będą wysyłać zmienne promieniowanie radiowe o częstotliwości zmian tak regularnej, że może być porównywalna z zegarem atomowym.

Należy też zauważyć, że  wykrycie postulowanych gwiazd neutronowych okazało się o wiele trudniejsze niż początkowo sądzono. Aczkolwiek takie badania były prowadzone, to jednak okazało się, że nie były one w stanie potwierdzić istnienia gwiazd neutronowych. Paradoksem jest to, że niektóre z później odkrytych gwiazd neutronowych charakteryzowały się pulsacyjną emisją promieniowania nie tylko w zakresie radiowym, ale i optycznym. Okres zmian był jednak zbyt krótki by można było zaobserwować takie gwiazdy wizualnie. Poza tym optycznie zmienne gwiazdy były czymś powszednim w astronomii już od kilku stuleci. Dlatego doświadczalne (obserwacyjne) potwierdzenie istnienia gwiazd neutronowych było nie tylko odkryciem mającym wielkie znaczenie w astrofizyce drugiej połowy XX wieku, ale także stanowiącym jedno z większych wyzwań teoretycznych stojących przed tą dziedziną astronomii. Jak wiele odkryć o podobnym charakterze zostało dokonane przypadkowo, jako nieoczekiwany rezultat zupełnie innego programu badań i ma analogię z bliskim czasowo odkryciem promieniowania reliktowego, gdzie również był zupełnie inny cel badań, a uzyskane wyniki zaskoczyły przede wszystkim samych obserwatorów. Różnice były takie, że program badań, który doprowadził do odkrycia pulsarów, miał stricte naukowy charakter zaś odkrywcy promieniowania tła na celu mieli usunięcie problemów technicznych, które pojawiły się przy wykorzystaniu do łączności satelitarnej nowego typu anteny.

Można powiedzieć, że odkrycie pulsarów było ubocznym produktem programu badań kwazarów a ściślej programu ich poszukiwań. Ponieważ w drugiej połowie lat 60-tych ubiegłego wieku udało się zidentyfikować wiele kwazarów z gwiazdami dającymi się obserwować w tzw. oknie optycznym i – jak się okazało – były one nie tylko obiektami punktowymi w promieniowaniu widzialnym, ale także w promieniowaniu radiowym pojawił się pomysł poszukiwania kwazarów poprzez obserwację scyntylacji promieniowania radiowego tych obiektów. Analogicznie do gwiazd, które możemy łatwo odróżnić od planet dzięki ich scyntylacji (zjawisko tzw. migotania gwiazd) w atmosferze ziemskiej. Usiłowano na tej drodze poszukiwać punktowych źródeł promieniowania radiowego wykazujących scyntylacje przy przechodzeniu przez koronę słoneczną.

W laboratorium Cavendisha wchodzącego w skład Uniwersytetu w Cambridge, już od roku 1964 prowadzono program badań mających na celu wyznaczenie charakterystyki fizycznej korony słonecznej. Badania te były powiązane z kilka lat wcześniej wykrytymi kwazarami. Program polegał na obserwacji scyntylacji strumienia promieniowania radiowego wysyłanego przez punktowe źródła (o średnicy mniejszej od pół sekundy kątowej). Ponieważ kwazary spełniają ten warunek (ich rozmiary kątowe są rzędu milisekund), to obserwacja szybkozmiennych źródeł  promieniowania radiowego była zarazem metodą odróżniania kwazarów od innych radioźródeł. Radioteleskopy ówcześnie używane były tak skonstruowane, by ich stała czasowa była stosunkowa duża, większa od kilku sekund. Takie rozwiązanie jest podyktowane potrzebą wzrostu czułości instrumentu, co z kolei wynika z tego, że obserwowane źródła mają bardzo małe strumienie promieniowania radiowego. Dla obserwacji szybkozmiennych źródeł tego promieniowania nie mają zatem zastosowania. Potrzebna była zatem konstrukcja nowego instrumentu. Nowy radioteleskop pracujący na fali o długości 3,7 m (81,5 MHz) został uruchomiony w Mullard Radio Astronomy Observatory już w lipcu 1967 roku i wkrótce otrzymano dzięki niemu zdumiewające wyniki.

Nazwa ta powstała w związku z tym, że radioastronomia rozwijana w ramach Laboratorium Cavendisha była  w bardzo szerokim zakresie sponsorowana przez Mullard Company – producenta podzespołów elektronicznych. Obserwatorium zostało oficjalnie otwarte 25 lipca 1957 r. Odkrycie pulsarów było najbardziej spektakularnym osiągnięciem dokonanym w tym obserwatorium. Pierwszym dyrektorem tego obserwatorium został Martin Ryle (1918-1984),

znany z wykorzystania metody syntezy apertury, która zapoczątkowała wielkobazową interferometrię na falach radiowych. Wspólnie z Hewishem dostał w 1974 r. Nagrodę Nobla, jednak nie za odkrycie pulsarów, ale głównie za wkład w rozwój radioastronomii. Był skonfliktowany z Fredem Hoylem, głównie w związku z krytyką teorii stanu stacjonarnego, ale także w związku z odmiennymi koncepcjami rozwoju astronomii. Ryle reprezentował punkt widzenia astronomii doświadczalnej, która wymagała coraz bardziej skomplikowanych i drogich urządzeń technicznych, zaś Hoyle był przekonany, że postęp jest możliwy głównie dzięki nowym koncepcjom teoretycznym. Jednakże to przy pomocy nowego radioteleskopu w Obserwatorium Mullarda zostało zidentyfikowane źródło, które wykazywało scyntylacje w nocy, czyli wtedy kiedy duża odległość kątowa od Słońca powinna wykluczać takie zjawisko. Zmniejszenie stałej czasowej instrumentu ujawniło ściśle periodyczny charakter zmian strumienia, co wykluczało zjawisko scyntylacji. Pojawiała się zatem sytuacja, że zaobserwowano obiekt , którego pełna charakterystyka nie pasowała w zupełności do żadnej znanej astrofizykom koncepcji teoretycznej.

Zapis odbieranego promieniowania był dokonywane na papierowej taśmie, której długość po jednej dobie obserwacji była ok. 120 m (121,8 m = 96 stóp) i były na niej 3 ścieżki zapisu. Interesujący fragment miał długość tylko pół cala (ok. 12 mm), łatwo było go zatem przeoczyć. Pierwotnie rozważano analizę zapisu przy pomocy programu komputerowego, ale uznano, że człowiek będzie w stanie lepiej rozpoznać różne nieoczekiwane sygnały. Bell zauważyła w pewnym miejscu zapis odbiegający od oczekiwanego oraz to, że pojawia się on wówczas, gdy skanowany jest ten sam fragment nieba. Po przestrojeniu aparatury rejestrującej i radioteleskopu przed końcem listopada 1967 r. udało się uzyskać zapis, który dowodził, że źródło pulsuje z częstotliwością ok. 1,3 s.

Pierwsza reakcja  A. Hewisha była taka, że uznał ten rodzaj sygnału za pochodzący z naziemnego źródła od jakiegoś szalonego radiotelegrafisty. W tym kontekście pojawia się pytanie, czy odkrycie byłoby możliwe, gdyby rejestracja sygnałów odbywała się automatycznie na taśmie magnetycznej a następnie analizowana przy pomocy programu komputerowego. Według A. Hewisha,  głównego beneficjenta odkrycia pulsarów, odkrycie takie również by zostało dokonane, ale o wiele później i na innej drodze (nie poprzez dostrzeżenie regularnych oscylacji natężenia promieniowania elektromagnetycznego, ale poprzez detekcję anomalii przy pomiarze wielkości scyntylacji źródeł promieniowania w funkcji ich odległości kątowych od Słońca). Hewish twierdził, że opóźnienie mogłoby być ok. pięciu lat. Warto ten przypadek rozważyć w kontekście problemu automatyzacji odkryć naukowych. Postęp w dziedzinie sztucznej inteligencji pokazuje jednak, że to nie człowiek, ale wyspecjalizowane programy komputerowe będą dokonywać podobnych odkryć w przyszłości.

Jako pierwszy obiekt ten zidentyfikował jako gwiazdę neutronową Fred Hoyle (1915-2001),

ale nie potrafił podać mechanizmu generującego drgania strumienia promieniowania radiowego. Swoją hipotezę, jak twierdzi Hoyle, postawił na podstawie opublikowanego przez siebie, już w 1946 r., artykułu na temat promieniowania kosmicznego i gwiazd neutronowych. Historia ta pokazuje też, że istniał konflikt interesów pomiędzy Mullard Radio Astronomy Observatory (wchodzącego w skład Laboratorium Cavendisha) i Instytutem Astronomii Teoretycznej Uniwersytetu w Cambridge, którego założycielem i dyrektorem był Hoyle. Konflikt ten odzwierciedlał głębokie podziały pomiędzy uczonymi zajmującymi się empirycznymi (obserwacyjnymi, doświadczalnymi) i teoretycznymi aspektami astronomii. Warto zauważyć, że pomimo bardzo poważnych trudności interpretacyjnych związanych z odkryciem Bell nie zwrócono się do Holye’a z prośbą o konsultację, aczkolwiek to właśnie Hoyle był – jak się później okazało – najbardziej kompetentnym uczonym pracującym na Uniwersytecie w Cambridge, by takiej konsultacji udzielić.

Dopiero Thomas Gold (1920-2004) w publikacji w ,,Nature’’ z czerwca 1968 wysunął hipotezę,  zgodnie z którą  pulsary to szybkorotujące gwiazdy neutronowe. Sami odkrywcy preferowali jednak interpretację, zgodnie z którą są to wirujące białe karły. Odkrycie pulsarów w Mgławicy Krab i gwiazdozbiorze Żagla przyczyniło się jednak do odrzucenia tej hipotezy. Odkryte tam pulsary charakteryzowały się bardzo małymi okresami pulsów (poniżej 1 sekundy), co wykluczało model pulsującego a nawet rotującego białego karła.

Pierwotnie rozważano tylko modele pulsującego białego karła lub pulsującej gwiazdy neutronowej. Obliczenia teoretyczne wykazały jednak, że białe karły mogą pulsować tylko do granicznej wielkości 30 Hz. Pierwsze odkryte pulsary mieściły się w tych limitach i dawało to możliwość utożsamienia tajemniczego obiektu z pulsującym białym karłem, ale wkrótce odkryte pulsary milisekundowe nie dawały już możliwości takiej interpretacji. Dostępna była jeszcze hipoteza pulsującej gwiazdy neutronowej, ale została odrzucona właśnie dlatego, że okres pulsacji powinien być rzędu 1 milisekundy, co wydawało się sprzeczne z obserwacjami. Przeoczona została możliwość modelu rotującej gwiazdy neutronowej, aczkolwiek taki model został zaproponowany przez Franca Paciniego kilka miesięcy przed ogłoszeniem odkrycia pulsarów. Według tego modelu źródłem pulsującego sygnału mogła być rotująca gwiazda neutronowa z silnym polem magnetycznym, którego oś nie pokrywałaby się z osią rotacji. Pacini, który był wówczas młodym teoretykiem, wysunął bardzo śmiałą hipotezę, zgodnie z którą energia kinetyczna rotującej gwiazdy neutronowej powinna być transformowana w wypromieniowywaną energię elektromagnetyczną.  W wyniku tego procesu okres rotacji pulsara powinien się zwiększać. Do tej koncepcji nawiązał później Thomas Gold rozwijając ją do interpretacji standardowo współcześnie akceptowanej.

Dopiero publikacja Paciniego może być interpretowana w całej rozciągłości jako teoretyczna predykcja odkrycia pulsarów. Jednak najczęściej jest ona pomijana w opracowaniach dotyczących tego odkrycia. W takim przypadku koncepcja teoretyczna wyprzedałaby tylko o kilkanaście miesięcy jej empiryczne potwierdzenie. Taka skala czasowa, aczkolwiek właściwa dla interwału pomiędzy teoretyczną predykcją i empiryczną konfirmacją, z uwagi na to, że nie jest dostatecznie spektakularna jest odrzucana. Autorzy prac popularyzujących astronomię wolą bardziej spektakularne stwierdzenia o teoretycznych koncepcjach, które wyprzedzały odkrycie o kilka dziesięcioleci!

Tekst został opracowany na podstawie monografii