Sygnał sprzed 8 miliardów lat dociera do Ziemi okrężną drogą przez kosmos
Gdzieś w głębinach wszechświata czaiło się przez miliardy lat coś, czego astronomowie nie spodziewali się wykryć. Radiosygnał, który pokonał ponad 8 miliardów lat świetlnych, dotarł wreszcie do naszej planety — a jego moc wprawiła naukowców w osłupienie.
Sygnał pochodzi z układu o technicznej nazwie HATLAS J142935.3-002836 — miejsca, gdzie dwie galaktyki zderzają się ze sobą w kosmicznym kataklizmie. Kiedy ten sygnał był emitowany, wszechświat miał mniej niż połowę swojego obecnego wieku.
Kosmiczny teleskop grawitacyjny jako naturalny wzmacniacz
Normalnie promieniowanie radiowe rozproszy się na tak ogromnych odległościach, że na Ziemi nie zostaje z niego praktycznie nic. Jak więc udało się go zarejestrować? Odpowiedź kryje się w rzadkim zbiegu okoliczności.
Dokładnie w połowie drogi między zderzającymi się galaktykami a Ziemią znajduje się inna, masywna galaktyka. Jej grawitacja zakrzywia otaczającą przestrzeń, przez co fale radiowe biegnące wzdłuż tego pola grawitacyjnego zostają ugięte i skupione. To zjawisko znane jest jako soczewkowanie grawitacyjne.
Dzięki rzadkiemu trójliniowemu układowi w kosmosie pośrednia galaktyka zachowała się jak gigantyczna kosmiczna lupa, wielokrotnie wzmacniając słaby sygnał.
Bez tego naturalnego wzmacniacza radioteleskop MeerKAT w Południowej Afryce nie miałby żadnych szans na zarejestrowanie tego sygnału. Przypadkowe idealne wyrównanie trzech obiektów sprawiło, że niemożliwe stało się możliwe.
Co się dzieje, gdy dwie galaktyki zderzają się z ogromną siłą
Promieniowanie radiowe pochodzi z gwałtownej strefy zderzenia dwóch galaktyk. Podczas takiego kosmicznego krachu gigantyczne obłoki gazu zderzają się czołowo — gaz zostaje ściśnięty, rozgrzany i rozrzucony w różnych kierunkach.
W tym środowisku unoszą się cząsteczki hydroksylu (połączenie tlenu i wodoru, oznaczane jako OH). Pod wpływem ekstremalnego ciśnienia i temperatury cząsteczki te zostają wzbudzone i gromadzą olbrzymie ilości energii.
Kiedy uwalniają tę energię, robią to w postaci fal radiowych. Co kluczowe — wiele cząsteczek emituje jednocześnie na dokładnie tej samej długości fali, co wzmacnia sygnał w sposób niewyobrażalny. Proces ten przypomina działanie lasera, tyle że na częstotliwościach radiowych i w skali galaktycznej.
- Zwykły maser: stosunkowo słabe, naturalne źródło radiowe w przestrzeni kosmicznej
- Megamaser: miliony razy silniejszy, często spotykany przy zderzeniach galaktyk
- Gigamaser (proponowana kategoria): jeszcze potężniejsza klasa, do której może należeć odkryty obiekt
Zderzenie w układzie HATLAS J142935 wytwarza szacunkowo setki mas Słońca w postaci nowych gwiazd rocznie. Dla porównania — Droga Mleczna tworzy zaledwie jedną do dwóch mas Słońca rocznie. Ta ekstremalna produkcja gwiazd stale pobudza cząsteczki OH, utrzymując maser w stanie aktywności.
Odkrycie o wyjątkowej wartości naukowej
Zespół pod kierownictwem astrofizyka Marcina Glowackiego z Uniwersytetu Pretorii analizował dane z projektu MeerKAT Absorption Line Survey. To właśnie w tej ogromnej bazie danych natknięto się na wyjątkowy sygnał.
Intensywność zarejestrowanego sygnału radiowego znacznie przekracza wartości znane z dotychczas odkrytych hydroksylowych megamaserów. Glowacki i jego współpracownicy proponują więc sklasyfikowanie tego obiektu w osobnej kategorii — termin „gigamaser" ma podkreślać jego rekordową moc.
Ciekawe artykuły:
Charakterystyczny kształt widma radiowego pozwala badaczom wywnioskować, z jaką prędkością obraca się gaz wokół strefy zderzenia oraz jak rozległe są turbulentne obszary. Daje to obraz dynamiki jądra łączących się galaktyk w czasach, gdy wszechświat był jeszcze w swojej „wczesnej dorosłości".
Każdy maser to rodzaj kosmicznego latarni morskiej — wskazuje miejsca, gdzie gaz się skupia i gdzie gwiazdy rodzą się w zawrotnym tempie.
MeerKAT jako zapowiedź gigantycznego radioteleskopу SKA
MeerKAT składa się z 64 anten satelitarnych rozmieszczonych w suchym regionie Karoo w Południowej Afryce. Teleskop został zaprojektowany do wychwytywania wyjątkowo słabych sygnałów radiowych, zwłaszcza z południowej półkuli nieba.
Instrument ten stanowi bezpośredniego poprzednika projektu Square Kilometre Array (SKA) — międzynarodowego przedsięwzięcia, które połączy tysiące anten w Południowej Afryce i Australii. Razem stworzą one efektywną powierzchnię zbierającą sygnał o wielkości niemal jednego kilometra kwadratowego.
| Właściwość | MeerKAT | SKA (pierwsza faza) |
|---|---|---|
| Liczba anten | 64 | Tysiące |
| Uruchomienie | Już działa | Od około 2028 roku |
| Czułość | Bardzo wysoka | Około dziesięć razy wyższa |
| Główny cel | Poprzednik i platforma testowa | Szczegółowa mapa radiowego wszechświata |
Najnowsze odkrycie potwierdza słuszność strategii: systematycznego obserwowania obszarów, gdzie aktywne mogą być soczewki grawitacyjne. Duże skupiska galaktyk działają niczym powiększające szkło, sprawiając, że odległe źródła wydają się wielokrotnie jaśniejsze.
Polowanie na tysiące ukrytych kosmicznych „laserów"
Astronomowie spodziewają się, że wszechświat jest wypełniony podobnymi maserami, jednak większość z nich pozostaje niewidoczna — sygnały są po prostu zbyt słabe. Tylko tam, gdzie soczewka grawitacyjna jest idealnie wyrównana, taki maser wyróżnia się w obserwacjach radioteleskopów.
Przewiduje się, że MeerKAT, a później SKA, będą w stanie wykryć tysiące takich źródeł. Powstanie w ten sposób obszerna katalog maserów rozciągająca się przez kosmiczny czas. Taka lista pozwoli zrozumieć, jak często galaktyki zderzają się ze sobą, ile gazu się przy tym uwalnia i jak bardzo przyspiesza to powstawanie nowych gwiazd.
Śledząc masery, astronomowie rekonstruują niejako historię miłosną galaktyk — każde zderzenie pozostawia wyraźny ślad w postaci charakterystycznego profilu radiowego.
Czego to odkrycie uczy nas o ewolucji wszechświata
Masery hydroksylowe wyznaczają miejsca, gdzie koncentruje się duże ilości gazu molekularnego — surowca do tworzenia nowych gwiazd. Pomiary maserów w odległych galaktykach pokazują, jak gaz był rozmieszczony, gdy wszechświat był młodszy, i jak szybko te zasoby przekształcały się w gwiazdy.
Porównując masery na różnych odległościach, naukowcy tworzą coś w rodzaju osi czasu. Gęste obłoki we wczesnym wszechświecie wykazują inne sygnatury niż późniejsze zderzenia, w których znaczna część gazu została już uwięziona w poprzednich pokoleniach gwiazd. Pomaga to weryfikować teorie dotyczące formowania się galaktyk.
Dla lepszego zrozumienia tematu warto pamiętać o kilku podstawowych pojęciach:
- Rok świetlny to odległość, jaką światło pokonuje w ciągu jednego roku — około 9,5 biliona kilometrów.
- Soczewkowanie grawitacyjne to nie fizyczny obiekt, lecz efekt zakrzywienia przestrzeni przez masę, który powoduje ugięcie torów światła.
- Maser to naturalna radiowa latarnia kosmiczna, powstała wskutek jednoczesnej emisji wielu cząsteczek na tej samej częstotliwości.
Naukowcy ostrzegają jednocześnie przed rosnącym problemem zakłóceń radiowych generowanych przez sieci satelitarne i ziemskie systemy komunikacyjne. Im czulsze stają się teleskopy, tym szybciej zakłócające sygnały z naszego własnego środowiska technologicznego mogą niszczyć precyzyjne pomiary. Ochrona „cichych" stref radiowych na Ziemi staje się coraz poważniejszym wyzwaniem dla astronomii przyszłości.
