Projekt badawczy zatytułowany „Precyzyjna kalibracja kosmicznej skali odległości w dobie wielkich przeglądów” (ang. Sub-percent calibration of the extragalactic distance scale in the era of big surveys [UniverScale]) będzie realizowany w konsorcjum, którego liderem jest Centrum Astronomiczne im. Mikołaja Kopernika PAN. Kierownictwo nad międzynarodowym zespołem naukowców obejmie prof. Grzegorz Pietrzyński z CAMK. Koordynatorem ze strony Centrum Fizyki Teoretycznej PAN będzie natomiast prof. Bożena Czerny. Projekt będzie realizowany wspólnie z partnerami zagranicznymi z Universidad de Concepción w Chile, Obserwatorium Paryskiego oraz The Heidelberg Institute for Theoretical Studies. Wśród ich głównych przedstawicieli będą prof. Wolfgang Gieren z Universidad de Concepción i prof. Pierre Kervella z Observatoire de Paris – Université PSL we Francji.

Jak wynika z informacji przekazanych Polskiej Agencji Prasowej przez prof. Pietrzyńskiego, około połowa osób zaangażowanych w realizację projektu ma pochodzić z polskich ośrodków. W sumie ma ich być około dziesięcioro.

Przyznane dofinansowanie projektu to 13,9 mln EUR z grantu Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych (ERC), rozłożone na 6 lat realizacji. O jego przyznaniu powiadomiono 5 listopada 2020 roku. Jak zapewnia wynika Polska Akademia Nauk, za pieniądze z grantu ERC Synergy powstanie nowy teleskop w polskim Obserwatorium Cerro Armazones w północnym Chile.

Głównym celem przedsięwzięcia są bardzo dokładne pomiary odległości na bardzo różnych skalach, od okolic Słońca do bardzo odległych zakątków przestrzeni kosmicznej. W szczególności posłużą do wyznaczenia słynnej stałej Hubble’a (H0), która opisuje tempo ekspansji Wszechświata, z bezprecedensową dokładnością około 1 procenta. "Precyzyjna wartość parametru Hubble’a jest konieczna, aby móc poznać ewolucję naszego wszechświata i zbadać istotę ciemnej energii, która stanowi około 70 % energii Wszechświata" - wskazuje PAN.

Znajomość precyzyjnej wartości prędkości, z jaką rozszerza się nasz Wszechświat jest kluczowa w poznaniu jego natury, a każde znaczące poprawienie tej dokładności zawsze doprowadzało do rewolucyjnych odkryć. Jednym z przykładów jest odkrycie przyśpieszonej ekspansji Wszechświata, które zostało uhonorowane Nagrodą Nobla z fizyki w 2011 roku.

Obecnie astronomowie mają do dyspozycji kilka różnych metod do wyznaczenia parametru Hubble’a. Stałą H0 można wyznaczać w oparciu o metody kosmologiczne: analizę promieniowania mikrofalowego oraz oscylacje barionowe. Metody te są bardzo atrakcyjne, lecz niestety wymagają dodatkowych założeń i zależą od przyjętego modelu. Parametr Hubble’a można również wyznaczyć w „klasyczny” sposób w oparciu o świece standardowe (jak cefeidy czy supernowe typu Ia). Jest to najprostsza, w pełni empiryczna i potencjalnie najdokładniejsza metoda.

Okazuje się jednak, że wyznaczenia stałej H0 wykonane za pomocą metod kosmologicznych od pomiaru metodą klasyczną bardzo znacząco się różnią. Fizyka nie potrafi wyjaśnić powodów różnic tych pomiarów. Jest to obecnie jeden z największych problemów naukowych, który może doprowadzić do rewizji współczesnej fizyki.

"Aby to ostatecznie stwierdzić, należy znacząco poprawić dokładność wyznaczenia stałej H0 za pomocą klasycznego sposobu, która polega na użyciu kilku różnych metod" - wskazują naukowcy z PAN. Jak wyjaśniają dalej, pomiary odległości do najbliższych nam obiektów wykonuje się najdokładniejszymi znanymi (geometrycznymi) metodami, w oparciu o które badacze kalibrują następnie już wtórne wskaźniki odległości. Te z kolei pozwalają skalibrować następne, znacznie bardziej dalekosiężne metody pomiaru - względem najdalszych zakątków Wszechświata. W efekcie powstaje tzw. kosmiczna drabina odległości. "Okazuje się, że najtrudniejszym krokiem w tych żmudnych i niezmiernie trudnych badaniach jest precyzyjna kalibracja pierwszego szczebla tej drabiny – odległości do pobliskich galaktyk" - przyznają polscy naukowcy.

Aby temu zaradzić, prof. Grzegorz Pietrzyński z dr. hab. Dariuszem Graczykiem i resztą zespołu w ramach projektu Araukaria skalibrowali metodę opartą na układach zaćmieniowych, nazywaną obecnie "polską linijką kosmiczną". Ta geometryczna metoda pozwala mierzyć odległości do pojedynczych układów zaćmieniowych w promieniu około 1 Mpc (1 megaparseka - równe niemal 3,261,563 lat świetlnych) z dokładnością rzędu 1 procenta.

Należy tutaj przypomnieć, że pomiary geometryczne odległości wykonywane do tej pory ograniczały się do pobliskich obiektów. Nawet, gdy uzyskiwana była nominalna dokładność początkowa (z wykorzystaniem satelity Gaia), spodziewana dokładność 1 proc. okazywała się osiągalna na dystansie maksymalnie 1 kpc (kiloparseka).
Jak utrzymują naukowcy z PAN, metoda prof. Pietrzyńskiego już teraz oferuje taką dokładność na odległościach tysiąc razy większych. W niedalekiej przyszłości, w dobie ogromnych teleskopów nowej generacji, np. teleskopu ELT o średnicy zwierciadła głównego rzędu 39 m (Extremely Large Telescope), polską metodę liczenia będzie można zastosować do wyznaczania znacznie większych odległości.

"W ramach grantu ERC Synergy metoda ta zostanie udokładniona i zastosowana do pomiaru odległości do szeregu pobliskich galaktyk" - obiecują przedstawiciele PAN. Naukowcy zapowiadają również, że skalibrują metodę Baade-Wesselinka pozwalającą mierzyć geometrycznie nawet na większych odległościach, być może w skali bezpośredniego pomiaru odległości do pobliskich supernowych Ia - w oparciu o fotometryczne i spektroskopowe obserwacje klasycznych cefeid. Te dwie metody, wraz z odległościami do cefeid wyznaczonymi przez obserwatorium kosmiczne Gaia, stworzą bazę do kalibracji gwiazd supernowych i wyznaczenia stałej Hubble’a.

W dalszej kolejności, naukowcy przeprowadzą również szeroko zakrojone monitorowanie kwazarów. Dzięki rejestracji opóźnień sygnałów w różnych barwach wyznaczą odległości do ponad 150 tych obiektów. Jak wskazano w komunikacie PAN, metoda jest nowa i wymaga jeszcze dopracowania teoretycznego, ale dzięki niej stała Hubble’a powinna zostać wyznaczona zupełnie niezależnie od omówionej wcześniej kosmicznej drabiny odległości. To natomiast ma stanowić dogodną okoliczność do wzajemnej weryfikacji obu metod - dodatkowo, metoda kwazarowa pozwoli sięgnąć dalej w głąb Wszechświata i mierzyć nie tylko stałą Hubble'a, ale także inne parametry kosmologiczne.

Prace naukowców z CAMK PAN w całej tej materii badawczej były do tej pory realizowane m.in. ze środków z Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego. "Dzięki dofinansowaniu z grantu ERC Synergy wybudowany zostanie nowoczesny teleskop o średnicy zwierciadła 2,5m oraz kamera pozwalająca na obserwacje w dziedzinie promieniowania podczerwonego" - informują przedstawiciele PAN. "Na budowę teleskopu przewidziane jest 6 mln euro, dodatkowo mamy 1 mln euro na kamerę. Na instrumenty i ich instalacje przewidziano 7 mln euro. Reszta funduszy przeznaczona jest m.in. na obsługę teleskopu, wyjazdy, pensje dla personelu" - powiedział w rozmowie z PAP prof. Grzegorz Pietrzyński, kierujący inicjatywą.

Realizacja grantu i badań ma potrwć 6 lat. Wybudowany teleskop oraz kamera pozwalająca na obserwacje w paśmie promieniowania podczerwonego będą naturalnie służyć dłużej i być z powodzeniem wykorzystywane także na potrzeby innych badań. "Chile to najlepsze miejsce do prowadzenia obserwacji astronomicznych na Ziemi! Również tam budowany jest właśnie największy teleskop świata" - przypomnina prof. Pietrzyński. "Nasze prace utrudnia pandemia koronawirusa. Polskie obserwatorium w Chile jest od pół roku zamknięte. Liczę jednak, że projekt w ramach nowo otrzymanego grantu rozpocznie się bez opóźnień - jego początek zaplanowaliśmy na listopad przyszłego roku" - dodał naukowiec.

Kierujący projektem prof. Grzegorz Pietrzyński jest laureatem wielu prestiżowych grantów badawczych w tym Advanced Grant Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych (ERC). Jest założycielem, liderem i kierownikiem międzynarodowego projektu Araukaria. Był również laureatem licznych nagród w tym nagrody im. Mariana Mięsowicza Polskiej Akademii Umiejętności za wybitne osiągnięcia w dziedzinie fizyki (2011), nagrody pisma “Nature” za wybitny wkład naukowy (2014), oraz nagrody Marii Skłodowskiej-Curie PAN w dziedzinie fizyki (2019).

W sumie w tym roku granty ERC Synergy przyznano 34 projektom dotyczącym różnorodnym dziedzin nauki. Projekty realizowane będą głównie w Niemczech, we Francji i w Wielkiej Brytanii. Przeznaczono na ten cel 350 mln EUR. O granty mogą się ubiegać zespoły od 2 do 4 głównych badaczy, którzy chcą realizować interdyscyplinarny projekt badawczy, nowatorski w swoich założeniach i który znacząco wpłynie na rozwój nauki.

Źródło: Polska Akademia Nauk/Krajowy Punkt Kontaktowy Programów Badawczych Unii Europejskiej/PAP