Bohdan Paczyński - astrofizyk, badacz ewolucji gwiazd i błysków gamma

Opracowanie: Marcin Banaś

Nauka i pierwsze sukcesy

Bohdan Paczyński urodził się 8 lutego 1940 roku w Wilnie. Po krótkich pobytach w okresie wojny w Krakowie i Moskwie rodzina na stałe przeniosła się w 1949 roku do Warszawy. Paczyński przejawiał uzdolnienia matematyczne i zainteresowanie astronomią już w młodym wieku. Gdy miał 14 lat, uczestniczył w programie badającym gwiazdy zmienne. Trzy lata później został wicemistrzem kraju w konkursie matematycznym dla licealistów. Studia uniwersyteckie rozpoczął w 1957 roku, na wydziale Matematyki i Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego. Już w kolejnym roku został współautorem pierwszej publikacji naukowej, opisującej minima jasności układów gwiazd zaćmieniowych, a rok później objął funkcję asystenta technicznego w warszawskim obserwatorium astronomicznym. Pracę magisterską pod nadzorem profesora Stefana Piotrowskiego obronił w 1962 roku.

Zaraz po obronie, w realiach trudnych czasów zimnej wojny udaje się Paczyńskiemu zrealizować wyjazd na roczny staż do obserwatorium Licka na Uniwersytecie Kalifornijskim. W ramach pracy nad doktoratem na Uniwersytecie Warszawskim podejmuje się olbrzymiego przedsięwzięcia polegającego na zliczaniu gwiazd z fotograficznego atlasu nieba, wykonanego w ramach programu Palomar Observatory Sky Survey (POSS). Analizuje obszar nieba o wymiarach 60 x 20 stopni, zawierający fragment płaszczyzny Drogi Mlecznej. Pozwala mu to na zbadanie statystycznych własności rozkładu materii międzygwiazdowej, co prowadzi do lepszego poznania kształtu Galaktyki. Doktorem astronomii zostaje w 1964 roku.

Lider teorii ewolucji gwiazd

Początkowo zainteresowania oraz praca Bohdana Paczyńskiego skupiają się na gwiazdach, tych występujących samotnie, jak i w powiązanych grawitacyjnie układach podwójnych. W 1967 roku publikuje pracę, w której wskazuje, że fale grawitacyjne mogą mieć wpływ na ewolucję znanych tzw. bliskich układów podwójnych. Pośrednio dostarcza w ten sposób metodę obserwacyjną na potwierdzenie istnienia fal grawitacyjnych, wcześniej przewidzianych jedynie teoretycznie. Badając ewolucję podwójnych układów gwiazdowych, Paczyński zwraca uwagę na efekt przepływu masy pomiędzy jej składnikami. Seria artykułów naukowych, będąca owocem tych badań, umożliwia mu uzyskanie w 1967 roku tytułu doktora habilitowanego. Wyjaśnia w nich między innymi mechanizm formowania się słabo poznanych w tamtym czasie tak zwanych gwiazd Wolfa-Rayeta.

W kolejnych latach skupia się nad zastosowaniem komputerów do modelowania numerycznego ewolucji gwiazd. Podczas rocznego pobytu w latach 1968–69 w Joint Institute for Laboratory Astrophysics (JILA) na Uniwersytecie Kolorado, mając dostęp do jednego z najszybszych komputerów z tamtego okresu, prowadzi obliczenia do serii artykułów opisujących życie pojedynczych gwiazd. Dzięki tym publikacjom w latach 70. Bohdan Paczyński uznany został za światowego lidera teorii ewolucji gwiazd.

Zagadnieniem fascynującym Bohdana Paczyńskiego były bliskie układy podwójne. Są to układy złożone z dwóch gwiazd, w których dochodzi do transferu masy z jednej gwiazdy i tworzenia się krążącego wokół drugiej tak zwanego dysku akrecyjnego. Początkowo rozważał układy złożone ze zwykłych gwiazd, jednak opracowana przez niego teoria mogła także zostać zastosowana do bardziej egzotycznych układów, gdy jeden ze składników jest gwiazdą neutronową lub czarną dziurą, a dysk zasilany jest z gwiazdy towarzyszącej lub z ośrodka międzygwiazdowego. W tym okresie opracowuje modele opisujące grube dyski akrecyjne, zwane polskimi pączkami (Polish doughnuts). Pierwsze artykuły na temat akrecji zostały opublikowane w 1977 roku i pojawiały się do 2003 roku.

Spór o pochodzenie promieniowania gamma

Począwszy od 1967 roku satelity Vela monitorujące ślady eksplozji nuklearnych na ziemi przypadkowo wykrywają niewyjaśnione rozbłyski promieniowania gamma pochodzące spoza Układu Słonecznego. Udostępnienie tej informacji naukowej społeczności w 1973 roku wywołuje znaczne poruszenie wśród teoretyków, którzy próbowali wyjaśnić to nieoczekiwane zjawisko. Paczyński, na przekór większości poglądów lokalizujących źródła tych rozbłysków w obszarze naszej Galaktyki, skłaniał się ku twierdzeniu, że ze względu na brak jakichkolwiek dowodów nie można wykluczyć, aby obserwowane wybuchy były pochodzenia pozagalaktycznego. Dzięki obserwacjom satelitarnym rozpoczętym w 1991 roku, po wykryciu kilkuset rozbłysków o rozkładzie izotropowym, wydawało się oczywiste, że Paczyński miał rację – źródła musiały znajdować się w kosmologicznych odległościach. Pomimo tego znaczna część społeczności astrofizycznej nadal opowiadała się za ich galaktycznym pochodzeniem. Doprowadziło to do publicznej debaty w kwietniu 1995 roku w Waszyngtonie, kiedy to argumentami na temat pochodzenia błysków gamma wymieniali się Bohdan Paczyński wraz z Donaldem Lambem. Debata zorganizowana została w tym samym audytorium, mieszczącym się w Smithsonian National Museum of Natural History, w którym 75 lat wcześniej odbyła się słynna debata Shapley–Curtis, dotycząca sporu w sprawie odległości do tak zwanych mgławic spiralnych, jak w tym czasie nazywano inne galaktyki. Wynik debaty był remisowy, wkrótce jednak przedstawiono przekonujące dowody na pozagalaktyczny charakter GRB. Obserwacje w 1997 roku silnie przesuniętych ku czerwieni linii absorpcyjnych w widmie optycznym błysków gamma nie pozostawiły wątpliwości, że znajdują się w odległościach kosmologicznych.

„Mikrosoczewkowanie grawitacyjne”

Kolejnym zagadnieniem skupiającym uwagę Paczyńskiego stało się soczewkowanie grawitacyjne, czyli zakrzywienie światła przez pole grawitacyjne planety, gwiazdy, galaktyki lub gromady galaktyk mogące powiększać i zniekształcać obrazy odległych źródeł. Jako pierwszy zaproponował w druku, że „gigantyczne świetliste łuki” w gromadach galaktyk były w rzeczywistości silnie ściśniętymi, soczewkowanymi grawitacyjnie obrazami odległych galaktyk tła. Ta interpretacja została potwierdzona przez wiele późniejszych obserwacji, a takie gromady galaktyk są obecnie regularnie wykorzystywane jako tak zwane teleskopy grawitacyjne. Pod koniec lat 80., zauważając szybki rozwój kamer cyfrowych oraz automatycznych możliwości przetwarzania obrazu, Paczyński przewiduje, że wkrótce możliwe będzie podjęcie systematycznych poszukiwań rzadkiego zjawiska, które opisał jako „mikrosoczewkowanie grawitacyjne”. W 1986 roku publikuje na ten temat przełomowy artykuł, wskazując, że monitorowanie jasności kilku milionów gwiazd jest wykonalne i umożliwiłoby pomiar wkładu obiektów o masie gwiazdowej w potencjał grawitacyjny Drogi Mlecznej. Artykuł ten doprowadził do powstania projektów OGLE (Optical Gravitational Lensing Experiment), MACHO (Massive Compact Halo Objects), DUO (Disk Unseen Objects) i EROS (Expérience pour la Recherche d’Objets Sombres). Kolejnym osiągnięciem w badaniu tego zjawiska było dostarczenie metody pozwalającej na szukanie planet krążących wokół odległych gwiazd. Pierwsza planeta odkryta przez mikrosoczewkowanie została zaobserwowana w 2003 roku i opisana w 2004 roku w raportach OGLE i MOA (Microlensing Observations in Astrophisics). Od tego czasu dzięki wykorzystaniu tej metody udało się potwierdzić istnienie wielu planet spoza Układu Słonecznego.

Paczyński był świadom, że wiedza o przejściowych zjawiskach zachodzących na niebie jest bardzo ograniczona i że cały czas dostępna jest ogromna „przestrzeń odkrywcza” dla małych teleskopów, które mogłyby stale monitorować niebo. Umożliwiłoby to odkrywanie nowych przykładów i pogłębienie wiedzy o znanych już zdarzenia przejściowych, takich jak gwiazdy pulsacyjne, gwiazdy nowe i supernowe oraz zjawiska mikrosoczewkowania. W lipcu 1996 roku w Paryżu podkreślił potencjał zautomatyzowanego monitorowania na dużą skalę. Korespondował z poważnymi astroamatorami oraz naukowcami. Z dyskusji i współpracy z Grzegorzem Pojmańskim, astronomem z Obserwatorium Warszawskiego, powstał projekt Automatyczny Przegląd Całego Nieba (ang. All Sky Automated Survey, ASAS). Pojmański zaprojektował i opracował instrumenty zautomatyzowane oraz procedury redukcji danych. Projekt funkcjonuje do dzisiaj i posiada dwie stacje obserwacyjne – w obserwatorium Las Campanas w Chile oraz na wyspie Maui na Hawajach. Ten i inne zautomatyzowane systemy teleskopów cały czas monitorują niebo, odkrywają tranzyty planet, śledzą zmienność gwiazd, supernowe w innych galaktykach itp.

Dokonania i wyróżnienia

Pomimo pogarszającego się stanu zdrowia w 2006 roku Paczyński uczestniczył w letnim spotkaniu Amerykańskiego Towarzystwa Astronomicznego (American Astronomical Society, AAS) w Calgary, gdzie poza propagowaniem swojej idei małych teleskopów, przedstawił pomysł teleskopu kosmicznego, znajdującego się pomiędzy Ziemią a Słońcem, z szerokim polem widzenia, skierowanego w stronę Ziemi. Taki teleskop mógłby zapewnić wczesne ostrzeżenie o zbliżającym się uderzeniu przez małe, ale wciąż niebezpieczne obiekty bliskie Ziemi (ang. Near-Earth objects, NEO), które w przeciwnym razie mogłyby umknąć uwadze obserwatorów aż do czasu ich wejścia w atmosferę.

Bohdan Paczyński uwielbiał naukowe dyskusje na rozległe tematy i był zachwycony ideą otwartej dostępności do wyniku badań naukowych. Jego artykuł o rozbłyskach gamma był pierwszym opublikowanym w astrofizycznym dziale astro-ph w ramach otwartego serwisu arXiv.org. Był również wykwalifikowanym i utalentowanym programistą, entuzjastą mikrokomputerów, śledzącym aktywnie rozwój technologii w tej dziedzinie. Napisany i udostępniony przez niego publicznie program komputerowy, pomocny w obliczeniach ewolucji gwiazd, był wczesnym przykładem oprogramowania open source. Twierdził, że najlepszym sposobem na pełne wykorzystanie obserwacji i danych naukowych jest dzielenie się nimi z konkurencją. Zainspirowane przez niego projekty, OGLE i ASAS, praktykowały to podejście.

Paczyński odegrał ważną rolę w powstaniu Centrum Astronomicznego imienia Mikołaja Kopernika Polskiej Akademii Nauk. Wykorzystując swoje kontakty naukowe, pomagał przekonać darczyńców z Ameryki, że ich pieniądze byłoby lepiej wydać na budowę budynku dla teoretyków niż na zakup nowego teleskopu dla Polski. Planowanie budowy rozpoczęto się na początku lat 70., a nowy instytut otwarto w 1978 roku. Wśród jego wyposażenia znalazł się nowoczesny minikomputer. Centrum w niedługim czasie zostało uznane za jeden z czołowych instytutów światowej astrofizyki teoretycznej. Paczyński odbywał wiele podróży na Zachód. Podczas wizyty w 1981 roku (w Caltech Fairchild Fellow) w Polsce wprowadzony został stan wojenny, który zmusił rodzinę Paczyńskich do odłożenia powrotu do domu do czasu poprawy sytuacji politycznej. Uniwersytet Princeton zaproponował mu profesurę, którą przyjął, dołączając do wydziału w 1982 roku i pozostając tam do końca swojej kariery. Był jednak bardzo zaniepokojony sytuacją w Polsce i starał się wspierać polską naukę. Często zapraszał polskich astronomów do Princeton, współpracował z nimi i wysyłał do Polski komputery osobiste i książki. Do ojczyzny wrócił dopiero w 1989 roku.

W 1984 roku Bohdan Paczyński został wybrany Zagranicznym Współpracownikiem Narodowej Akademii Nauk Stanów Zjednoczonych, zostając w 1996 roku jej pełnoprawnym członkiem. W 1991 roku został wybrany na członka w Polskiej Akademii Nauk. Otrzymał wiele nagród, między innymi Medal Eddingtona Królewskiego Towarzystwa Astronomicznego (1987), nagrodę Dannie Heineman za osiągnięcia w astrofizycie (1992), Nagrody Fundacji na rzecz Nauki Polskiej (1996), Medal Henry’ego Drapera Narodowej Akademii Nauki (1997), Złoty Medal Królewskiego Towarzystwa Astronomicznego (1999), medal Mariana Smoluchowskiego Polskiego Towarzystwa Fizycznego (2000), Złoty Medal Catherine Wolfe Bruce Towarzystwa Astronomicznego Pacyfiku (2002) oraz nagrodę Henry Norris Russell Lectureship Amerykańskiego Towarzystwa Astronomicznego (2006).

Jesienią 2003 roku u Paczyńskiego zdiagnozowano raka mózgu (glejaka wielopostaciowego). W końcu stracił zdolność chodzenia i musiał korzystać z wózka inwalidzkiego. Pomimo przyjmowania eksperymentalnego leczenia przegrał walkę z chorobą. Zmarł w swoim domu, w Princeton, 19 kwietnia 2007 roku.