Ο αστρονόμος που προτιμούσε να κατασκευάσει διαστημικές κάμερες

Το 1965, όταν ο Τζέιμς Έντουαρντ Γκαν ήταν μεταπτυχιακός στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καλιφόρνια, βρήκε έναν τρόπο να πει πότε το σύμπαν φωτίστηκε για πρώτη φορά με αστέρια. Άλλοι αστρονόμοι είχαν εντοπίσει περίεργες πηγές ραδιοκυμάτων γνωστών ως κβάζαρ σε τεράστιες αποστάσεις - τα δύο τρίτα της διαδρομής πίσω στην αρχή του σύμπαντος. Ο Gunn και ένας συμφοιτητής του, ο Bruce Peterson, παρατήρησαν ότι το φως από αυτά τα κβάζαρ έλειπε μια υπογραφή ουδέτερου υδρογόνου, που σημαίνει ότι το αέριο υδρογόνο που περιβάλλει τα αντικείμενα πρέπει να ιονίστηκε από το φως των αστεριών. Έτσι, ο Gunn και ο Peterson υποστήριξαν, ότι μέχρι τότε είχαν σχηματιστεί αστέρια.

Η υπογραφή του ουδέτερου υδρογόνου από την εποχή πριν από τα αστέρια, γνωστή ως φαινόμενο Gunn-Peterson, φάνηκε τελικά το 2001, σε ένα μακρινό κβάζαρ που φούντωσε όταν το σύμπαν ήταν μόλις ένα δισεκατομμύριο ετών. Η ανακάλυψη του κβάζαρ καθιέρωσε ένα κρίσιμο σημείο μετάβασης στο κρυπτικό χρονοδιάγραμμα του πρώιμου σύμπαντος. Το κβάζαρ εμφανίστηκε στο Sloan Digital Sky Survey, έναν άνευ προηγουμένου λεπτομερή και λεπτομερή κατάλογο του σύμπαντος που έγινε με αστρονομικά όργανα που ο ίδιος ο Gunn είχε σχεδιάσει και κατασκευάσει κυρίως.

Οι αστρονόμοι επιλέγουν συνήθως ένα από τα τρία μονοπάτια:θεωρία, παρατήρηση ή κατασκευή οργάνων. Ο Gunn, 80, ομότιμος καθηγητής Αστροφυσικών Επιστημών Eugene Higgins στο Πανεπιστήμιο του Πρίνστον, έκανε και τα τρία — συλλέγοντας δεδομένα για γαλαξίες και σμήνη γαλαξιών (μεταξύ άλλων), θεωρώντας πώς σχηματίστηκαν και εξελίχθηκαν αυτές οι δομές (μεταξύ άλλων) και, Ταυτόχρονα, σχεδιάζοντας και κατασκευάζοντας όργανα για την επέκταση των τηλεσκοπικών δυνατοτήτων. Για τη συνεισφορά του στην αστρονομία, έχει κερδίσει σχεδόν κάθε διάκριση στον τομέα, συμπεριλαμβανομένου του Βραβείου Crafoord, της εκδοχής του Νόμπελ για την αστρονομία, καθώς και της υποτροφίας MacArthur και του Εθνικού Μετάλλου της Επιστήμης.

Γύρω στο 1980, ωστόσο, ο Gunn εγκατέλειψε την παρατήρηση και τη θεωρία για να επικεντρωθεί στα όργανα. Για έναν αστρονόμο με το ταλέντο και τη φήμη του, η επιλογή ήταν περίεργη:Οι κατασκευαστές οργάνων δεν παίρνουν μεγάλη δόξα. Αποτελούν λιγότερο από το 10 τοις εκατό των αστρονόμων και δεν βρίσκονται στη συνηθισμένη ακαδημαϊκή πορεία. Παρόλα αυτά, η πρόοδος στον τομέα εξαρτιόταν πάντα καθοριστικά από την πρόοδο στον τομέα των οργάνων. Και τις τελευταίες δεκαετίες, μεγάλα ερωτήματα σχετικά με τη δομή και τη σύνθεση του σύμπαντος απαιτούσαν εξειδικευμένες κάμερες και φασματογράφους ικανούς να μετρούν μεγάλα τμήματα του ουρανού. Ο Gunn ήθελε απαντήσεις και τα όργανα ήταν το sine qua non .

Είναι και η αρχική του αγάπη. Γεννημένος στο Τέξας κατά τη διάρκεια της Ύφεσης, ο Gunn κόβει μέταλλο από τα μονοψήφια χρόνια του. Η παρατήρηση και η θεωρητικοποίηση για την εξέλιξη του σύμπαντος είναι, λέει, απλώς ο τρόπος με τον οποίο κέρδισε τα «σπιρούνια» του προτού καταφέρει να κάνει αυτό που ήθελε να κάνει από παλιά:να χτίσει πράγματα. «Με ενδιέφερε να χτίσω πράγματα από την τελεία του έτους», μου είπε.

Έχει κατασκευάσει υλικό για έρευνες κβάζαρ και σμήνων, το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble και το Sloan Digital Sky Survey, το οποίο παρήγαγε ένα από τα πιο χρησιμοποιημένα σύνολα δεδομένων στην αστρονομία ποτέ. Τώρα είναι απασχολημένος με αυτό που θεωρεί το καλύτερο όργανό του:έναν φασματογράφο που θα εγκατασταθεί στο ιαπωνικό τηλεσκόπιο Subaru μήκους 8,2 μέτρων, για μια έρευνα που θα βοηθήσει στη χαρτογράφηση της κατανομής των γαλαξιών, της σκοτεινής ύλης και της σκοτεινής ενέργειας σε όλο το σύμπαν.

Επειδή ο Gunn είναι ένας αστρονόμος τον οποίο συμβουλεύονται οι συγγραφείς αστρονομίας να γνωρίζουν, του παίρνω συνέντευξη για περίπου 30 χρόνια. Αυτή τη φορά, μιλήσαμε στο Πρίνστον στο υπόγειο γραφείο του, το οποίο έχει χώρο για δύο καρέκλες ανάμεσα στα γραφεία και τους πάγκους και τις θήκες με ένα δισεκατομμύριο μικροσκοπικά συρτάρια γεμάτα με μικρότερα ηλεκτρονικά. Η συζήτησή μας για τη ζωή του και την αγάπη του για τα αστρονομικά όργανα έχει επεξεργαστεί και συμπυκνωθεί για λόγους σαφήνειας.

Ο φίλος και συνάδελφός σας από το Πρίνστον, Jeremiah Ostriker, λέει ότι είστε «ΜΟΝΑΔΙΚΟΙ [τους πόρους του] στο να έχετε εξαιρετικά ταλέντα και στις τρεις κατευθύνσεις» — δηλαδή ως θεωρητικός, παρατηρητής και κατασκευαστής οργάνων. Έχει δίκιο;

Νομίζω ότι είναι ασυνήθιστο, σωστά. Η εντύπωσή μου είναι ότι οι περισσότεροι που ασχολούνται με την ενορχήστρωση ξεκινούν έτσι. Και είναι σύνηθες για τους ανθρώπους που ξεκινούν ως θεωρητικοί είτε να απογοητεύονται με τις δικές τους ικανότητες είτε να απογοητεύονται με τον όγκο των δεδομένων που χρειάζονται και γίνονται παρατηρητές. Και σε γενικές γραμμές, μόλις γίνουν παρατηρητές, δεν κάνουν πια πολλές θεωρίες.

Αλλά οι άνθρωποι δεν παρασύρονται συχνά στο να γίνουν οργανοπαίκτες;

Το πρόβλημα είναι η προετοιμασία. Στη φυσική, οι άνθρωποι συχνά εκπαιδεύονται να είναι πειραματιστές φυσικοί, να κάνουν όργανα. Στην αστρονομία, αυτό απλώς δεν ίσχυε. Οι αστρονόμοι ήταν άνθρωποι που χρησιμοποιούσαν όργανα, αλλά πολύ σπάνια άνθρωποι που τα κατασκεύαζαν. Οι καθηγητές δεν λέρωσαν τα χέρια τους.

Μαζί με τη δουλειά σας με τον Peterson, μια άλλη θεωρητική εργασία που σας κέρδισε τα «σπιρούνια» σας ήταν γνωστή ως Gott, Gunn, Schramm και Tinsley, από τους συγγραφείς της. Ο Ostriker είπε ότι το έγγραφο του 1974 καθόρισε τις παραμέτρους για ένα μοντέλο ενός εξελισσόμενου σύμπαντος και ότι, όπως και οι άλλες θεωρητικές εργασίες σας, εξακολουθεί να θεωρείται ως ουσιαστικά σωστό.

Αυτό που προσπαθούσαμε να κάνουμε είναι να συγκεντρώσουμε όλα τα στοιχεία για αυτό το θέμα της πυκνότητας του σύμπαντος. Προσπαθούσαμε να προσδιορίσουμε πόση ύλη υπήρχε - εννοώ, μπορείτε να προσθέσετε όλα τα αστέρια και δεν είναι τίποτα - και προσπαθούσαμε να εξισορροπήσουμε το κλάσμα των πραγμάτων σε σμήνη και το κλάσμα των πραγμάτων έξω από αυτά. Και ο αριθμός που καταλήξαμε ήταν, εντελώς τυχαία, σχεδόν ακριβώς ο αριθμός που πιστεύουμε σήμερα. Όχι εντελώς «τυχαία». Νομίζω ότι κάναμε μια λογική δουλειά.

Λίγο μετά από αυτό, στράφηκες στην παρατήρηση, ξεκινώντας αυτό που έγινε μια σειρά από έρευνες του ουρανού. Και, στην πραγματικότητα, το μεγαλύτερο μέρος της δουλειάς σας ως παρατηρητής δεν περιλαμβάνει παρατηρήσεις μεμονωμένων αντικειμένων, αλλά έρευνες. Γιατί είναι αυτό;

Το σύμπαν είναι βασικά ένα στατιστικό θηρίο. Και έτσι για να κατανοήσετε οποιαδήποτε κατηγορία αντικειμένων στο σύμπαν πρέπει να κάνετε μια έρευνα. Εάν μελετήσετε την κόλαση από ένα σύμπλεγμα, θα μάθετε γι 'αυτό. Αλλά δεν πρόκειται να μάθετε πώς σχηματίστηκε, γιατί το πώς σχηματίστηκε ήταν μέρος κάποιου πολύ μεγαλύτερου στατιστικού σεναρίου που σχημάτιζε πολλά πράγματα. Το ίδιο ισχύει και με τους γαλαξίες, σωστά; Κάθε γαλαξίας είναι ένα περίεργο πράγμα, και η κατανόηση του λεπτομερώς δεν σας λέει πολλά για τους γαλαξίες. Και έτσι έπρεπε να κατανοήσεις το στατιστικό σύμπαν για να καταλάβεις πώς σχηματίζονται αυτά τα πράγματα. Θέλω να πω, αυτή είναι η ιστορία της αστρονομίας.

Έτσι, ξεκινήσατε να κατασκευάζετε τα όργανα για να κάνετε τις έρευνες:κάμερες για τη φωτεινότητα και τα σχήματα των πραγμάτων, φασματογράφους για τα χρώματά τους, που υποδηλώνουν τις αποστάσεις τους. Πότε ξεκινήσατε να κατασκευάζετε όργανα;

Ω, με ενδιέφερε να φτιάξω πράγματα από την τελεία του έτους. Ο πατέρας μου ήταν γεωφυσικός εξερεύνησης και εργαζόταν για την Gulf Oil κατά τη διάρκεια του Β' Παγκοσμίου Πολέμου, αναζητώντας πετρέλαιο. Περιπλανιόμασταν σε όλη τη χώρα και υπήρχαν μηχανές που έπρεπε να κρατηθούν, οχήματα [και] επιστημονικά όργανα για τα οποία δεν μπορούσες να προμηθευτείς ανταλλακτικά, λόγω του πολέμου. Είχαμε λοιπόν αυτό το τρέιλερ που ήταν ένα μηχανουργείο με ρόδες. Έμαθα να χρησιμοποιώ τόρνο σε ηλικία 7 ετών. Και με ενδιέφερε πολύ η αστρονομία, οπότε άρχισα να είμαι σοβαρός ερασιτέχνης αστρονόμος και να κατασκευάζω τηλεσκόπια και πράγματα. Αργότερα, αφού πέθανε ο πατέρας μου και ήμουν στο γυμνάσιο, έφτιαξα ένα φωτογραφικό τηλεσκόπιο 8 ιντσών που είχε μια ηλεκτρονική μονάδα δίσκου με τρανζίστορ, έφτιαξα όλες τις κάμερες, έκανα την οπτική, στην πραγματικότητα. Και έτσι ήξερα ότι θα έφτιαχνα πράγματα από την αρχή.

Αφού οι άνθρωποι βρήκαν πολύ μακρινά κβάζαρ στη δεκαετία του 1960, θελήσατε να μελετήσετε τον πληθυσμό των κβάζαρ. (Είναι πλέον γνωστό ότι είναι φωτεινό υλικό που περιβάλλει τις υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες.) Έτσι, στη δεκαετία του '70, κατασκευάσατε ένα από τα πρώτα αστρονομικά όργανα με CCD, το οποίο μόλις είχε εφευρεθεί και μπορούσε να ανιχνεύσει το φως πολύ πιο ευαίσθητα από τις φωτογραφικές πλάκες. Θα μπορούσατε να μιλήσετε για αυτό το όργανο, το Prime Focus Universal Extragalactic Instrument, το οποίο ονομάσατε PFUEI (προφέρεται "pfooey");

Το PFUEI ήταν ένα αστείο όργανο. θα μπορούσε να είναι είτε φασματογράφος είτε απεικόνισης. Θέλαμε να βρούμε τα αρχαιότερα πράγματα στο σύμπαν και, ξέρετε, προσπαθήσαμε να καταλάβουμε πώς μπορούν να σχηματιστούν τα πράγματα τόσο νωρίς. Έτσι, η έρευνα κβάζαρ ξεκίνησε με το PFUEI.

Το PFUEI ήταν αρκετά επιτυχημένο. Αλλά σκέφτηκα, ξέρετε, για να κάνουμε σωστές έρευνες των συστάδων χρειαζόμασταν πραγματικά ένα μεγαλύτερο όργανο με μεγαλύτερο πεδίο. Και είχαμε αυτή την ιδέα για την οπτική διάταξη του WFPC [προφέρεται "wiffpick"].

Αυτή είναι η κάμερα ευρέος πεδίου/πλανητικής κάμερας που εγκαταστάθηκε στο διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble. Πώς λειτούργησε;

Το WFPC έχει αυτόν τον καθρέφτη πυραμίδας που χωρίζει το πεδίο σε τέσσερα κομμάτια. Έτσι, μπορείτε να κοιτάξετε τον ουρανό με τέσσερα CCD και να αποκτήσετε τετραπλάσια έκταση. Σκέφτηκα ότι θα ήταν καλή ιδέα, γι' αυτό προτείναμε στη NASA να φτιάξει αυτό το πρωτότυπο. Το αγόρασαν και έτσι κατασκευάσαμε το 4-Shooter. Νομίζω ότι χρησιμοποιούσα το PFUEI ενώ σχεδίαζα το 4-Shooter. Δεν νομίζω ότι έχω προσπαθήσει ποτέ πραγματικά να φτιάξω δύο όργανα ταυτόχρονα.

Η έρευνα κβάζαρ, που έγινε τόσο με το PFUEI όσο και με το 4-Shooter, βρήκε σχεδόν 100 κβάζαρ και καθιέρωσε την άνοδο και την πτώση τους στην ιστορία του σύμπαντος. Και στη συνέχεια η έρευνα σμηνών βρήκε σμήνη γαλαξιών κοντά στην αρχή του σύμπαντος - δυσάρεστα, επειδή οι κοσμολόγοι δεν μπορούσαν να εξηγήσουν πώς σχηματίστηκαν τόσο νωρίς τέτοιες μεγάλες δομές. Αλλά οι έρευνες συμπληρώθηκαν από τους συναδέλφους σας, όχι από εσάς, επειδή το μοτίβο σας ήταν ότι θα χτίζατε ένα πράγμα —

— να το χρησιμοποιείτε για λίγο, να σκέφτεστε το επόμενο πράγμα. Οι σπόροι για το Sloan ήταν ήδη στη θέση τους πριν από την εκτόξευση του διαστημικού τηλεσκοπίου [Hubble]. Ο Morley Blouke, ένας επιστήμονας στην Texas Instruments, εμφανίστηκε με αυτό το πράγμα στον χαρτοφύλακά του - το μεγαλύτερο CCD που είχε κατασκευαστεί ποτέ. Και πραγματικά αντιλήφθηκα το σφάλμα για τον Sloan τότε, γιατί ήξερα ότι αυτό το πράγμα επρόκειτο απλώς να ανατρέψει τα πάντα.

Σχεδιάσατε και κατασκευάσατε μια κάμερα CCD ευρέως πεδίου για το Sloan, συν ένα φασματοσκόπιο που θα μπορούσε να πάρει 640 φάσματα τη φορά. Το Sloan πήρε τελικά εικόνες και φάσματα σε 3 εκατομμύρια αντικείμενα - σμήνη, κβάζαρ, γαλαξίες, αστέρια, αστεροειδείς. Ήταν καλά δαπανημένος αυτός ο χρόνος;

Οι άνθρωποι ρωτούν τι ανακάλυψε ο Sloan. Δεν ανακαλύψαμε νέες κατηγορίες αντικειμένων. Δεν ανακαλύψαμε ούτε ένα πράγμα που ήταν πολύ περίεργο. Αυτό που κάναμε ήταν πραγματικά να καρφώσουμε πολλά πράγματα με εξαιρετικά δεδομένα, εξαιρετικά στατιστικά, έτσι ώστε να μπορεί κανείς να καταλάβει πολύ καλύτερα πώς είναι το σύμπαν σήμερα.

Τώρα κατασκευάζετε το Prime Focus Spectrograph για μια έρευνα από το τηλεσκόπιο Subaru. Γιατί αποφασίσατε να εργαστείτε στο PFS;

Γιατί ήταν το επόμενο βήμα μετά τον Sloan, νομίζω. Το PFS βρίσκεται σε ένα πολύ μεγάλο τηλεσκόπιο, ώστε να μπορεί να πάει πιο βαθιά [στον ουρανό] από άλλες έρευνες. Θα δούμε την ιστορία των περισσότερων από τα αστέρια στο σύμπαν. Επίσης δεν υπάρχει τηλεσκόπιο στον κόσμο με πεδίο τόσο μεγάλο όσο το Subaru. Θέλω να πω, ο Sloan έκανε αυτό που έκανε πολύ, πολύ καλά, αλλά θέλετε πραγματικά να ανοίξετε το βιβλίο της ιστορίας λίγο ευρύτερα, για να δείτε πώς έγιναν τα πράγματα όπως έχουν.

Η Subaru έχει ήδη μια κάμερα έρευνας, σωστά — την Hyper Suprime-Cam, για την οποία συμβουλέψατε; Γιατί χρειάζεται φασματογράφος;

Διαλέγετε αντικείμενα στον ουρανό από την απεικόνιση Hyper Suprime-Cam — γαλαξίες από τα σχήματά τους και κβάζαρ από τα χρώματά τους. Στη συνέχεια, παίρνετε ένα φάσμα με PFS. Υπάρχουν 2.400 [φασματοσκοπικές] ίνες και η καθεμία έχει ένα μικρό μηχάνημα που μπορεί να μετακινήσει την ίνα σε μια περιοχή διαμέτρου περίπου 8 χιλιοστών. Και αυτά τα μηχανήματα είναι σε θέση να βάλουν μια ίνα στο αντικείμενο. Και λες, καλά, αυτό δεν είναι ακριβώς εκεί που θέλω να είναι, το τσακίζεις λίγο έτσι, δεν είναι πολύ σωστό, ας το τσακίσουμε λίγο έτσι. Και όλο αυτό ως εκ θαύματος διαρκεί περίπου ένα λεπτό. Και μετά παίρνετε το φάσμα.

Αυτό σημαίνει 2.400 φάσματα ταυτόχρονα. Πραγματικά καλά φάσματα;

Λοιπόν, ελπίζω να είναι καλά φάσματα. δεν είμαστε ακόμα εκεί. Αν θα ανακαλύψουμε κάτι νέο; Δεν γνωρίζω. Νομίζω ότι θα καταλάβουμε το σύμπαν πολύ καλύτερα όταν ολοκληρωθεί.

Αυτή η μετάβαση από τη θεωρία και την παρατήρηση στην κατασκευή οργάνων δεν έχει κόστος; Μόλις πήγατε με πλήρη απασχόληση στο Sloan, τι συνέβη με το ποσοστό δημοσίευσής σας;

Ωχ, βαρέθηκε.

Δεδομένου ότι οι δημοσιεύσεις είναι το νόμισμα του βασιλείου για έναν αστρονόμο, το μετανιώνετε;

Όχι. Η ηγεσία μιας επιστημονικής προσπάθειας είναι διασκεδαστική, αλλά η καθοδήγηση ενός έργου οργάνων είναι επίσης διασκεδαστική, και αφού κάνω το δεύτερο και δεν κάνω το πρώτο, υποθέτω ότι αυτό θέλω να κάνω. Είμαι απόλυτα χαρούμενος που το κάνω, πάντως. Θεωρώ ότι ήταν πολύ πιο ικανοποιητικό να κάνω ό,τι καλύτερο μπορούσα για να κάνω την έρευνα τόσο υψηλής ποιότητας ώστε άλλοι άνθρωποι να μπορούν να κάνουν καλή δουλειά. Και επομένως είναι θέμα να είσαι πατέρας. Και δεν είμαι καθόλου δυσαρεστημένος με την επιλογή που έκανα.

Η αισθητική παίζει κάποιο ρόλο σε όλα αυτά;

Α, παίζει τεράστιο ρόλο. Μου αρέσουν απλώς τα όμορφα πράγματα, τα μικρά όμορφα πράγματα. Και τα όργανα είναι - ο τρόπος που είναι καλωδιωμένοι, ο τρόπος με τον οποίο ελέγχονται, ο τρόπος που λειτουργεί τα οπτικά - είναι απλά όμορφα. Τα πράγματα που είναι άσχημα δεν λειτουργούν πολύ καλά. Είναι ο τρόπος με τον οποίο το όργανο κατασκευάζεται φυσικά. Είναι ο τρόπος με τον οποίο βγαίνουν τα δεδομένα. Είναι ο τρόπος που λειτουργεί το λογισμικό. Και το ίδιο το σύμπαν είναι απίστευτα όμορφο. Νομίζω ότι πολλοί άνθρωποι πιστεύουν ότι η ανάλυση πραγμάτων αφαιρεί την ομορφιά. Και απλά δεν είναι έτσι, απλά δεν είναι καθόλου έτσι. Σίγουρα δεν είναι λιγότερο όμορφο για να γίνει κατανοητό - με την έννοια ότι οι επιστήμονες κατανοούν τα πράγματα, την αλυσίδα των συνδέσεων από τη θεμελιώδη φυσική και πάνω. Είναι όμορφο.

Τελευταία ερώτηση:Είστε 80. Όταν ξεκινήσατε το PFS, δεν είχατε ήδη περάσει την ηλικία συνταξιοδότησης;

Λοιπόν, όχι, δεν ήμουν παρελθόν, αλλά ήμουν κοντά σε αυτό.

Αλλά αποσύρθηκες αργά.

Συνταξιοδοτήθηκα νωρίς. Ήμουν 75. Λοιπόν, η ηλικία συνταξιοδότησης είναι τυπικά στα 68 σε αυτό το πανεπιστήμιο, αλλά κανείς δεν δίνει σημασία. Θα τα παρατήσω όταν δεν είμαι πλέον χρήσιμος. Δεν νομίζω ότι αυτό έχει συμβεί ακόμα.