Sygnał radiowy wędrujący przez połowę widzialnego wszechświata
Radioteleskop w Południowej Afryce zarejestrował niezwykle silny sygnał, który przemierzał przestrzeń kosmiczną przez ponad osiem miliardów lat. Za tym „krzykiem" z wczesnej epoki kosmosu stoi potężne zderzenie dwóch galaktyk — wzmocnione przez wyjątkowy kosmiczny zbieg okoliczności, który w ogóle umożliwił jego wykrycie.
Obiekt z odległości miliardów lat świetlnych
W centrum obserwacji znajduje się obiekt o technicznej nazwie HATLAS J142935.3-002836. Za tym ciągiem cyfr i liter kryje się para galaktyk, które zderzyły się ze sobą około ośmiu miliardów lat temu. Wszechświat miał wtedy mniej więcej pięć miliardów lat — nie był już zupełnie młody, ale do swojego dzisiejszego stanu miał jeszcze bardzo daleko.
Sygnał pokonał więcej niż połowę odległości przez obserwowalny wszechświat, zanim w kwietniu 2025 roku dotarł do anten radioteleskopу MeerKAT, znajdującego się na południowoafrykańskiej pustyni Karoo. W normalnych warunkach fale radiowe pokonujące tak ogromny dystans byłyby zbyt słabe, by dało się je zmierzyć z Ziemi.
Dopiero wyjątkowe współdziałanie trzech ciał niebieskich sprawiło, że rekordowy sygnał stał się w ogóle mierzalny.
Pomiędzy źródłem sygnału a Ziemią leży bowiem jeszcze jedna, trzecia galaktyka. Jej masa zakrzywia otaczającą ją przestrzeń — efekt opisywany przez ogólną teorię względności. To zakrzywienie działa jak potężna kosmiczna soczewka, zwana soczewką grawitacyjną.
Soczewka grawitacyjna: natura buduje teleskop w kosmosie
Galaktyka pośrednicząca leży dokładnie na linii widzenia w taki sposób, że skupia i wzmacnia fale radiowe pochodzące ze zderzającego się układu galaktyk. Astronomowie mówią o tzw. efekcie soczewkowania:
- Masa galaktyki pośredniczącej zakrzywia przestrzeń wokół siebie.
- Fale radiowe ulegają odchyleniu podczas podróży.
- Sygnał dociera do nas jaśniejszy i silniejszy, niż byłby bez soczewki.
Efekt ten może wielokrotnie zwiększać jasność obserwowanego obiektu. Bez tego wzmocnienia sygnał z HATLAS J142935 byłby po prostu niewykrywalny z Ziemi. Zespół badawczy pod kierownictwem astronoma Marcina Glowackiego z Uniwersytetu Pretorii zidentyfikował tę rzadką potrójną konfigurację w danych pochodzących z wielkiego przeglądu nieba MeerKAT.
Naukowcy analizowali obserwacje w ramach MeerKAT Absorption Line Survey i natrafili na sygnał, który od razu przykuł uwagę — niezwykle jasny, wyjątkowo odległy i jednoznacznie przypisywalny konkretnemu procesowi fizycznemu.
Gdy galaktyki się zderzają: kosmiczny „laser" w akcji
W centrum odkrycia stoi zjawisko zwane hydroksylowym megamaserem. Pod tym specjalistycznym terminem kryje się fascynujące zjawisko — rodzaj kosmicznego lasera emitującego zamiast światła fale radiowe.
W obszarach zderzających się galaktyk gromadzą się ogromne ilości gazu i pyłu. Gdy dwie galaktyki wpadają na siebie, ich obłoki gazowe zostają brutalnie sprężone. Efekt jest natychmiastowy — temperatura, gęstość i promieniowanie gwałtownie rosną, a nowe gwiazdy powstają w zawrotnym tempie.
W tym chaotycznym środowisku cząsteczki hydroksylu (OH) — związku tlenu i wodoru — przechodzą w stan wzbudzony. W odpowiednich warunkach ogromne ilości tych cząsteczek zaczynają emitować identyczne fale radiowe — wszystkie o tej samej częstotliwości i w tym samym kierunku. W ten sposób powstaje maser, będący radiowym odpowiednikiem lasera.
Ten hydroksylowy megamaser jest tak jasny, że naukowcy zamierzają zaklasyfikować go do zupełnie nowej kategorii — jako pierwszy potwierdzony „gigamaser".
Glowacki i jego zespół przekonują, że zmierzona intensywność sygnału wyraźnie przewyższa wszystkie dotychczas znane hydroksylowe megamasery. Dlatego proponują użycie nowego terminu — gigamaser — oznaczającego jeszcze energetyczniejszą kategorię kosmicznych laserów radiowych.
Fabryka gwiazd w trybie ekstremalnym
Zderzenie galaktyk napędza powstawanie nowych gwiazd w niewyobrażalnym tempie. Szacunki wskazują, że w tym układzie rocznie powstaje kilkaset mas słonecznych w postaci nowych gwiazd. Dla porównania — nasza Droga Mleczna wytwarza zaledwie od jednej do dwóch mas słonecznych rocznie.
Ten ekstremalny „wyż demograficzny" wśród gwiazd stanowi ważny sygnał dla badaczy. Potwierdza, że tak potężne sygnały maserowe powstają przede wszystkim podczas gwałtownych, bogatych w gaz fuzji galaktyk. Im więcej gazu, tym więcej wzbudzonych cząsteczek i tym silniejszy maser.
| Cecha | Hydroksylowy megamaser | Gigamaser (jak HATLAS J142935) |
|---|---|---|
| Typowa odległość | Setki milionów lat świetlnych | Kilka miliardów lat świetlnych |
| Jasność | Bardzo wysoka | Znacznie wyższa |
| Środowisko | Zderzające się galaktyki | Wyjątkowo bogata w gaz, potężna fuzja galaktyk |
MeerKAT jako zapowiedź gigantycznego radioteleskopу
Teleskop MeerKAT składa się z 64 anten rozstawionych na rozległym obszarze pustyni Karoo. Razem tworzą wirtualny megateleskop o wysokiej czułości na fale radiowe. System monitoruje rozległe obszary południowego nieba i aktywnie poszukuje rejonów, gdzie mogą występować soczewki grawitacyjne.
MeerKAT pełni też inną ważną rolę — stanowi techniczny i naukowy poprzednik projektu Square Kilometre Array (SKA). To międzynarodowe przedsięwzięcie ma w nadchodzących latach połączyć tysiące anten rozmieszczonych w Południowej Afryce i Australii. SKA zwiększy czułość obserwacji radiowych mniej więcej dziesięciokrotnie.
Zarejestrowana sygnatura gigamasera jest zapowiedzią tego, co wkrótce stanie się możliwe na znacznie większą skalę.
Naukowcy spodziewają się, że SKA pozwoli wykryć tysiące dotąd ukrytych źródeł maserowych. Szczególnie interesujące są obszary nieba, w których znajdują się wielkie gromady galaktyk. Ich połączone oddziaływanie grawitacyjne tworzy wiele efektów soczewkowania jednocześnie, wzmacniając obiekty w tle jeden po drugim.
Polowanie na ukryte kosmiczne „lasery"
Nowa strategia obserwacyjna jest już zatem gotowa. Przyszłe przeglądy nieba będą celowo kierowane na obszary zawierające masywne gromady galaktyk, które działają jak naturalnie rozmieszczone wzmacniacze — wydobywające słabe sygnały z głębin kosmosu.
Celem jest stworzenie możliwie kompletnego katalogu odległych źródeł maserowych. Zebrane dane pozwolą odpowiedzieć na pytania takie jak:
- Jak często galaktyki łączyły się ze sobą na przestrzeni kosmicznych dziejów?
- W jakim stopniu takie zderzenia napędzają powstawanie gwiazd?
- Jak rozmieszczony jest gaz molekularny w wczesnych galaktykach?
W ciągu kilku lat powstaną połączone zestawy danych z MeerKAT i SKA, które dostarczą znacznie ostrzejszego obrazu radioemitującego odległego wszechświata. Teleskopy optyczne napotykają tu szybko swoje ograniczenia — pył i ogromne odległości pochłaniają większość światła. Fale radiowe natomiast przenikają przez te przeszkody ze względnie niewielkimi stratami.
Co tak naprawdę oznaczają megamaser i soczewka grawitacyjna
Słowa takie jak „megamaser" czy „soczewka grawitacyjna" brzmią dla wielu jak żywcem wyjęte ze science fiction. W rzeczywistości kryje się za nimi dobrze ugruntowana fizyka.
Maser (ang. Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation) to technicznie urządzenie wzmacniające mikrofale — podobnie jak laser wzmacnia światło. W kosmosie zasada ta realizuje się samoczynnie: gdy ogromna liczba cząsteczek zajmuje ten sam wzbudzony stan energetyczny, mogą one jednocześnie emitować identyczne fale radiowe. Megamaser to po prostu szczególnie silna kosmiczna odmiana tego zjawiska.
Soczewki grawitacyjne z kolei opierają się na idei Einsteina, zgodnie z którą masa zakrzywia przestrzeń. Promienie świetlne — a także fale radiowe — podążają za tym zakrzywieniem jak samochody na zakręcie drogi. Gdy masywna galaktyka stoi dokładnie między nami a odległym obiektem, możemy zobaczyć jego promieniowanie skupione i wzmocnione, niekiedy nawet w postaci łuków lub pierścieni na niebie.
Oba efekty razem czynią to odkrycie tak wyjątkowym. Naturalny maser zostaje wzmocniony przez naturalną soczewkę i uchwycony przez nowoczesny radioteleskop. Na końcu ten ośmiomiliardoletni sygnał pojawia się jako niepozorna linia w pliku z danymi — a mimo to opowiada historię galaktycznej destrukcji, narodzin gwiazd i pomysłowości ludzkich instrumentów pomiarowych.
