Polskie NASA, kosmici i Wielki Wybuch. Wywiad z prof. Krzysztofem Górskim

Prof. dr hab. Krzysztof Marian Górski jest polskim astronomem, który w swojej pracy naukowej zajmuje się mikrofalowym promieniowaniem tła, kosmologią obserwacyjną, wielkoskalową strukturą Wszechświata i mechanizmem powstawania galaktyk. Studia astronomiczne ukończył na Uniwersytecie Mikołaja Kopernika w Toruniu, a stopień doktora nauk fizycznych uzyskał na Uniwersytecie Warszawskim. 

Pracował w Centrum Astronomicznym im. Mikołaja Kopernika Polskiej Akademii Nauk, a także m.in. w NASA, Instytucie Fizyki Teoretycznej Yukawy na Uniwersytecie w Kyoto, Centrum Astrofizyki Teoretycznej w Kopenhadze, centrali Europejskiego Obserwatorium Południowego oraz California Institute of Technology.

Prof. Krzysztof Górski był uczestnikiem misji satelity Planck od 1997 r. Jest laureatem zespołowych nagród NASA za 2010, 2011 i 2014 oraz Gruber Cosmology Prize (2018) jako członek zespołu naukowego misji satelity Planck. Otrzymał także medale NASA Exceptional Achievement Medal w 2011 r. oraz NASA Exceptional Technology Achievement Medal w 2019 r. Jest laureatem Nagrody Fundacji na rzecz Nauki Polskiej 2020 w obszarze nauk matematyczno-fizycznych i inżynierskich.

Obecnie pracuje w Obserwatorium Astronomicznym UW oraz Jet Propulsion Laboratory (Laboratorium Napędu Odrzutowego) w Pasadenie w Kalifornii. To najważniejsze na świecie laboratorium eksplorujące Kosmos jest jednym z centrów badawczych amerykańskiej agencji kosmicznej NASA. Jest doradcą premiera do spraw przemysłu kosmicznego oraz Sekretarzem Akademii Kopernikańskiej.

Przed nami 2024 r. Rok, w którym po latach przerwy Polak ma polecieć w kosmos. Czeka Pan na ten moment?

Bez wątpienia to będzie ciekawy rok. Sławosz Uznański przejdzie do historii. To wydarzenie, z którego bardzo się cieszę i uważnie śledzę. W Polsce coraz więcej mówi się o kosmosie i przemyśle kosmicznym i to jest dobra wiadomość.

Na czym się Pan obecnie skupia jako doradca premiera do spraw przemysłu kosmicznego?

Działam na bardzo wąskim podwórku i skupiam się tylko na tym, na czym się znam, czyli na astrofizyce. Aktualnie jestem w trakcie próby włączenia Polski w projekt LiteBIRD dotyczący mikrofalowego promieniowania tła. Wiodącym wykonawcą będzie Japonia i jej agencja kosmiczna JAXA, choć jest to projekt międzynarodowy, także z udziałem amerykańskim i europejskim.

Jest szansa, że weźmiemy w tym udział?

Tego jeszcze nie wiadomo. Póki co staram się przede wszystkim pokazać, że LittleBIRD to projekt naukowy, który jest wart grzechu i dużej ilości pieniędzy, które pochłania. To nie są rzeczy tanie. Potem można zmobilizować siły naukowe i motywację na tyle, żeby kręgi rządowe uruchomiły finansowanie, które może być kontynuowane w skali dekady, a nie dwóch czy trzech lat. Bo dwu- czy trzyletnimi skokami tego wykonać się nie da. Tutaj trzeba mieć obietnice finansowania na znacznie dłuższej skali czasowej, żeby przywiązać ludzi, nauczyć ludzi.

Jesteśmy gotowi na takie wyzwanie?

Przygotowanie misji kosmicznej to potężne przedsięwzięcie, które wymaga setek zaangażowanych naukowców i inżynierów. To nie działa w ten sposób, że trzy osoby sobie coś wymyślą i to się kończy satelitą. Tego się trzeba nauczyć, taką kulturę trzeba zbudować. Trzeba przełamać myślenie, że ktoś jest w jednym instytucie czy politechnice, startupie czy uniwersytecie i skupia się tylko na sobie. Wszyscy muszą ze sobą rozmawiać. Trzeba nauczyć różnych ludzi razem ze sobą działać, a jednocześnie przekonać ich, że stworzyło się środowisko na tyle stabilne finansowo, niezmieniające się od jednego rządu do drugiego, czy od ministra do ministra.

Takiej stabilności być może nie było, bo kosmos to trudna dziedzina, a sukces nie zawsze jest gwarantowany?

Przyszłość jest zawsze niejasna. Działalność w kosmosie jest oczywiście działalnością trudną, bo poziom konkurencji jest gigantyczny. Gwarancja sukcesu jest minimalna. Trzeba się jednak zawsze starać. W Polsce temat jest skomplikowany, bo mieliśmy dotychczas i ciągle mamy wiele ośrodków decyzyjnych, czy wspierających tego typu inicjatywy. I wydaje mi się, że główny problem polega na tym, że nie mamy zsynchronizowanego całościowego planu na poziomie państwowym, kierowanego i finansowanego centralnie.

Czyli powinno powstać polskie NASA?

Model, który w sposób oczywisty mam na myśli to agencja kosmiczna w prawdziwym stylu właśnie typu NASA czy CNES we Francji. Tam te rzeczy są po prostu zintegrowane. Mam takie wrażenie i jeśli jest niesprawiedliwe, to z góry przepraszam wszystkich, ale wydaje mi się, że jest kilka ośrodków, które promują tego typu inicjatywy w Polsce.

A co z kadrą naukową?

Z wykształconymi ludźmi nie mamy problemu, wręcz przeciwnie. Zarówno naukowców, jak i techników inżynierów mamy wystarczająco dużo na światowym poziomie. Można ich wykorzystać i umotywować, by działali razem. Co więcej, we wszystkich kluczowych miejscach na świecie, które zajmują się technologią kosmiczną, są Polacy. Wielu z nich pełni krytyczne i znaczące role. Naturalnego talentu jako narodowi aspirującemu do kosmosu nam nie brakuje. Jesteśmy 38 mln krajem. To jest kraj na tyle duży, że powinien aspirować do własnej polityki kosmicznej.

Tymczasem wciąż wiele osób traktuje hasło "Polska w kosmosie" z uśmiechem politowania.

Niestety spotykam się z tym. Niektórzy traktują połączenie Polski i kosmosu ironicznie, wręcz wyśmiewa te aspiracje. Jest to manifestacją głupoty. Im dłużej będziemy z tym zwlekać, tym więcej będziemy tracić szans, po które powinniśmy ambitnie sięgać.

Doradca premiera to nie jedyne stanowisko, na którym dzieli się Pan swoim doświadczeniem. Jest Pan również Sekretarzem Akademii Kopernikańskiej. Jakie są Pańskie plany i wizje na przyszłość Akademii i jakie nowe projekty i inicjatywy chciałby Pan zrealizować lub wspierać?

Akademia Kopernikańska jest szczytnym pomysłem stworzenia żywego pomnika Kopernikowi. Wśród jej najważniejszych zadań jest umiędzynarodowienie polskiej nauki. Co to ma znaczyć? Sam zamysł Akademii był taki, by stworzyć 100-osobowe gremium złożone w połowie z członków zagranicznych i polskich. To oni mają służyć poradą jak budować nowy strumień finansowania dla nowych projektów badawczych, jak kierunkować badania, które byłyby perspektywiczne i włączały Polskę w nurt frontowej nauki, najważniejszych problemów do rozwiązania. Tak, abyśmy kierowali się tam, gdzie świeci najjaśniejsze światło nauki.

Słysząc umiędzynarodowienie polskiej nauki, ktoś może mieć przed oczami naszych naukowców wyjeżdżających do pracy za granicę.

Gdy powstawała Akademia, to jednym z najczęstszych pytań, jakie zadawano, było, czy Akademia nie stanie się tunelem do drenażu polskich umysłów na Zachód. Zamysł był dokładnie odwrotny. Ściągnęliśmy do Polski rzesze znakomitych naukowców, nie tylko z astronomii. Zaprosiliśmy na Kongres Kopernikański do Torunia pięciu noblistów.

Czy będą odwiedzać nas częściej?

Na tym nie poprzestaniemy. Będziemy nadal ściągać ludzi zza granicy, żeby pomogli nam w procesie kształcenia na zaawansowanym poziomie. Znacząca część wybitnych zagranicznych uczonych będzie do nas przyjeżdżać na cykle wykładów, na dwa - trzy tygodnie w semestrze, żeby wspomóc cykl edukacyjny. Takie spotkania w sposób naturalny prowadzą do bliższych znajomości, co prowadzi do nawiązania lepszych kontaktów naukowych, wymiany, odwiedzin. Tak to działa na całym świecie i nie widzę powodu, dla którego nie miałoby tak się dziać w Polsce. Oczywiście nie jest tak, że tego nikt w Polsce wcześniej nie wymyślił i że żadni naukowcy z zewnątrz do nas nie przyjeżdżali. Mamy znakomite ośrodki badawcze i oczywiście mamy znakomitych naukowców, ale to nie ja wymyśliłem mówienie o drenażu mózgów z Polski. Pokutuje u nas czasem przekonanie, że jak ktoś się wybił i wyjechał, to już nie wraca, bo nie warto. To nie prawda i chciałbym odmienić to myślenie.

Akademii Kopernikańskiej to także zwiększenie współpracy instytucji naukowych w Polsce?

Tak, dlatego, że po pierwsze członkowie Akademii są rozproszeni po całym kraju, a po drugie Szkoła Główna Mikołaja Kopernika ma pięć oddziałów, które są terytorialnie rozrzucone i znajdują się w Warszawie, Olsztynie, Toruniu, Lublinie i Krakowie. Dodatkowo wchodzimy w coraz większą liczbę umów o potencjalnej współpracy z uniwersytetami, placówkami badawczymi, stowarzyszeniami gospodarczymi czy regionami, które są zainteresowane tym, żeby terytorialnie rozproszyć światło wiedzy, poza Warszawę, Wrocław i największe ośrodki miejskie. Kraj jest duży. Aspiracje do tego, żeby coś zaczęło się dziać w innych miejscach, są silne i my to czujemy. Jesteśmy bardzo otwarci na współpracę.

Odrywając się od naszego lokalnego podwórka, chciałbym porozmawiać o pańskiej specjalizacji - mikrofalowym promieniowaniu tła i jego polaryzacji, które potwierdzić ma, że Wielki Wybuch i inflacja faktycznie miały miejsce. Czy o polaryzacji mikrofalowego tła wiemy już wszystko?

Pomiary polaryzacyjne to następna granica poznania, którą usiłujemy pokonać. Jesteśmy w sytuacji, w której aspirujemy, by pomierzyć polaryzację bardzo dobrze, a mamy ją pomierzoną tak sobie. Jeśli chcemy osiągnąć interesujące nas granice, musimy zejść znacznie głębiej. Głębiej to znaczy do znacznie mniejszego poziomu szumów. To, co nas interesuje to możliwe sygnały pozostawione przez epokę inflacyjną. Te sygnały są jednak tak słabe, że nikt do tej pory nie zmierzył czegoś takiego.

Dlaczego warto ich szukać?

Dlaczego polaryzacja mikrofalowego tła jest taka ważna? Dlatego, że wydaje się, że na niebie spolaryzowanej anizotropii promieniowania tła powinny być sygnatury, które w sposób jednoznaczny będą mogły być zidentyfikowane jako ślady ewolucji wczesnego wszechświata, epoki inflacyjnej. Jeżeli to się kiedyś uda, w pewnym sensie osiągniemy ostateczną granicę poznania poprzez to medium, jakim jest promieniowanie tła i jego anizotropia.

Jak osiągnąć tę granicę?

Cały rozwój dziedziny jest zdefiniowany przez dwa nurty. Pierwszy to wysyłanie satelitów, drugi jest taki, że trzeba osiągnąć to, co się da w obserwatoriach naziemnych, ponieważ jest to tańsze niż obserwacje w przestrzeni kosmicznej. Aczkolwiek koszty tego też zaczynają być niebotyczne. Jednak obserwatoria naziemne nie pozwalają obserwować całego nieba, bo gdziekolwiek na Ziemi jest takie obserwatorium zlokalizowane, to widzi najwyżej pół nieba przed sobą i tyle. Problem polega na tym, że część z tych najbardziej interesujących sygnałów od wczesnego Wszechświata wymaga obserwacji na całym niebie, bo są to sygnały bardzo wielkoskalowe. Do tego potrzebne są satelity. Poza tym sytuacja jest dosyć prosta, bo totalną czułość instrumentu definiuje to, ile detektorów możemy upakować na teleskopie. Większość detektorów, których używamy w tej dziedzinie funkcjonuje w zasadzie w pobliżu kwantowego progu czułości, którego pokonać już nie można. Oznacza to, że tylko zwiększenie liczby detektorów pozwala zwiększyć czułość całego instrumentu. Stąd się biorą duże koszty i trudność realizacji takich projektów.

Wysyłaliśmy wcześniej kilka satelitów, które badały mikrofalowe promieniowanie tła.

W tej chwili jesteśmy w dość dziwacznej sytuacji. Po kilku dekadach niebywałych zupełnie sukcesów eksperymentalnych poprzez realizację sekwencji satelitów COBE, WMAP i Planck osiągnęliśmy bardzo wiele. Tak wiele, że agencje kosmiczne chyba zasłabły i żadna dotychczas nie powiedziała: "ok, rzucamy wszystko i budujemy następnego satelitę, bo trzeba problem mikrofalowego promieniowania tła dokończyć". To bardzo niefortunne. W tej chwili się wydaje, że taki satelita prawdopodobnie nie powstanie przed dekadą lat 40. To jest odległa perspektywa. Dlatego jest duże ciśnienie i poparcie - zwłaszcza w Stanach Zjednoczonych - dla rozwoju instrumentów naziemnych.

Ale wspominał Pan na początku, że chce włączyć polskie instytucje w projekt satelity badającego mikrofalowe promieniowanie tła?

Tak, to jedyny wyłom w tej postawie, coś, w co usiłuję zaangażować nasz kraj. Japończycy uznali, że warto w to wejść, ponieważ duże agencje typu NASA, ESA itd. wahają się i chcą czekać przez dekady. Japońska JAXA uznała więc, że trzeba zbudować mniejszego satelitę, który nie będzie obserwował wszystkiego, co było być ciekawe do zaobserwowania, ale skoncentruję się na tych największych skalach kątowych i tam wymierzy wszystko, co się da. Jest to koncepcja satelity LiteBIRD, która powstała kilka lat temu, została zaakceptowana do realizacji w Japonii, we współpracy z ośrodkami w Stanach Zjednoczonych. Europejczycy się do tego dołączyli. Wydaje się, że satelita ten powinien polecieć na początku lat 30. Jest znacząca szansa, że wykona on bardzo istotny krok, w sensie przemierzenia i interpretacji tego, co jest na niebie, w stosunku do tego, co w tej chwili wiemy.

Czy osiągnie ostateczny próg inflacyjny, taki, żeby weryfikować teorie ostateczne?

Póki nie dokonamy pomiarów, to nie będziemy wiedzieli. Natomiast projekt z Japonią, jeśli do niego przystąpimy, spełni jeszcze jedną krytyczną rolę dla Polski. Włączy się wówczas do niego znaczna część środowiska, przyciągnie znaczącą część młodych naukowców. Potem w tych latach 40., gdyby już np. doszło do tego, że w kosmos poleci nowy satelita, nie będzie trzeba od nowa kształcić badaczy. Będziemy mieli już wykształcone kadry i specjalistów. Liczę na to, że przyciągniemy młodszych ludzi do tak pięknej dziedziny, bo w niej wydarzyły się rzeczy zdumiewające, a jeszcze nie wszystko zostało zrobione. 

Jakie są możliwe związki i korelacje między mikrofalowym promieniowaniem tła a innymi obserwacjami kosmologicznymi, takimi jak struktura wielkoskalowa? Co byśmy zobaczyli, nakładając mapę mikrofalowego promieniowania tła na wielką mapę wszechświata?

Wszechświat jest niemalże perfekcyjnie przeźroczysty dla fotonów, które  przychodzą z epoki około 400 tysięcy lat po Wielkim Wybuchu. Średnio rzecz biorąc, 1 foton na 100 wchodzi w oddziaływanie z gorącymi elektronami w gromadach galaktyk. Są jednak efekty fizyczne, które wiążą promieniowanie tła z tym, co jest po drodze. Są to efekty dwojakie. Jeden jest grawitacyjny, a drugi astrofizyczny. Zaczynając od astrofizycznego. Są gromady galaktyk rozrzucone po całym Wszechświecie, które zawierają na tyle dużo gorącego gazu, że przez odwrotny efekt Comptona następuje rozpraszanie tych mikrofalowych fotonów i część z nich dostaje małego kopa energetycznego. To bardzo ciekawe, dlatego że pozwala korelować rozkład gromad galaktyk we Wszechświecie z promieniowaniem tła. Efekt astrofizyczny jest badany i jest wykorzystywany do liczenia, na przykład konsystencji tego, co mierzymy w rozkładzie materii w dużych skalach, z tym co mówi nam promieniowanie tła.

A drugi efekt?

Drugi efekt jest grawitacyjny. Fotony promieniowania tła poruszają się w potencjale grawitacyjnym zaburzeń, które są związane właśnie z rozkładem struktury wielkoskalowej. To trudny temat do badań, bo nie mamy niezależnych próbników, tylko patrzymy na obraz anizotropii promieniowania tła, który jest zdeformowany nieco przez niedoskonałą soczewkę, którą grawitacyjnie tworzy po drodze rozkład materii. Istnieją skomplikowane metody analizy, które pozwalają wnioskować na ile to, co wiemy o rozkładzie materii, zgadza się z tym, co mówi ten zaburzony obraz. Czy to się zgadza, czy się nie zgadza. Jest pewien poziom kontrowersji pomiędzy tym, co wynikało z danych Plancka, a tym, co się wynikało z innych danych. Dzisiaj pracujemy nad tym, żeby to wszystko pouzgadniać. W ostatecznym obrazie fizycznym wszystko się musi zgodzić. Nie może być tak, że część zjawisk fizycznych jest połączona przez jeden model, a druga część przez inny model. To musi być w jednym modelu i taki jest cel tego wszystkiego.

Wiem, że pan profesor jest też wybitnym specjalistą w dziedzinie geometrii wszechświata i moje pytanie dotyczy tego, czy wszechświat ma kształt rury, czy siodła, a może raczej kuli? Jaki jest najnowszy stan wiedzy na ten temat?

Żaden z tych kształtów. Upraszczając zagadnienie maksymalne, wydaje się, że najbliższe jest opisanie globalnej geometrii, po prostu przez przestrzeń płaską. Jest trochę miejsca w obliczeniach na to, że być może globalna geometria Wszechświata jest bardziej zbliżona do sferycznej, niż do płaskiej, mówimy jednak o tak małej przestrzeni życiowej dla tego typu modeli, że w pewnym sensie nie ma to znaczenia. Promień krzywizny takiego zakrzywionego Wszechświata musiałby być bardzo duży i lokalnie niemalże niezauważalnie różny od nieskończonego, jak w przypadku przestrzeni płaskiej.

Niektórzy mogą być rozczarowani.

No cóż, może to wydawać się trochę nieciekawe. Przestrzenie zakrzywione są ciekawe, ale być może to nie jest to, co nam natura zaoferowała.

U progu jakich najważniejszych odkryć związanych z astronomią stoimy u progu 2024 r. Co może nas czekać w przyszłym roku w tym temacie?

Przewidywanie jest bardzo trudne, szczególnie jeśli idzie o przyszłość - powiedział Niels Bohr. Żyjemy w epoce, jeśli chodzi o astronomię, niezwykłego bogactwa, niezwykle mocnych instrumentów. Dopiero co wystrzelono JWST, który pokazuje nam bardzo wczesne galaktyki. JWST został wystrzelony po to, żeby przebadać epokę głębszego redshiftu, być może coś krytycznego w tej dziedzinie szybko się pojawi.

Ja tego pytania nie zadaję, ale Pan wie o co chcę spytać.

Wiem. Jest gigantyczne ciśnienie obserwacyjne i koncepcyjne w dziedzinie badania planet i szukania sygnatur możliwego życia. Pojawiają się już wyniki z obserwacjami obecności molekuł, które mają być śladowymi molekułami procesów organicznych. Wszechświat jest duży. Czekamy ciągle na to co przyniosła sonda z planetoidy Bennu. NASA oczywiście cały czas liczy na to, że coś znajdziemy na Marsie. Moi koledzy zorganizowali nawet w NASA panel ekspertów, który doradza NASA, jak podejść do problemu szukania kosmitów. Więc już na poziomie rządowo-agencyjnym zaczynamy się interesować tym, czy można usystematyzować ten proces naukowo. Osobiście jestem bardzo niechętny do dyskusji na serio na temat problemów życia we wszechświecie, bo jest to problem bardzo trudny. I uważam, że w skali jednego roku chyba nikt nie udowodni tego na pewno. Natomiast fajnie, by było, gdyby jeszcze w skali naszego życia dało się coś zdecydowanie na ten temat powiedzieć. Pamiętajmy, że zawsze może coś przylecieć do nas. Miejmy nadzieję, że nie będzie to nic katastroficznego.

Czyli ciekawych momentów nie zbraknie?

Astronomia jest ciekawa. Jest tyle instrumentów, które patrzą na niebo, że bez wątpienia będzie wiele ciekawych nowości. Ja bym był daleki od kategoryzowania tego, które są najbardziej ekscytujące. Należy się cieszyć tym, że w ogóle astronomia jest tak bardzo popularna.