Astrofizyczny „laser” z głębi kosmosu. Naukowcy namierzyli sygnał sprzed 8 miliardów lat

Astronomia zyskała właśnie niezwykłe okno na daleką przeszłość dzięki odkryciu gigantycznego, naturalnego wzmacniacza mikrofal w głębokim kosmosie. Radioteleskop MeerKAT przechwycił sygnał wyemitowany w czasie, gdy nasz Wszechświat był jeszcze w fazie burzliwego dojrzewania, około 8 miliardów lat temu. To nie jest zwykłe odkrycie, lecz dowód na to, jak potężne siły natury potrafią skupić energię w precyzyjną wiązkę docierającą do nas mimo niewyobrażalnych odległości.

Radioteleskop w RPA zarejestrował niezwykle silny sygnał z odległego zakątka kosmosu, który wyruszył w drogę, gdy Wszechświat był jeszcze „nastolatkiem”.

Wyjątkowo intensywne promieniowanie radiowe pochodzi z układu galaktyk oznaczonego jako HATLAS J142935.3–002836. Według astronomów mamy do czynienia z jednym z najbardziej ekstremalnych sygnałów tego typu, jakie kiedykolwiek wpadły w ucho ziemskim radioteleskopom.

Nie laser, a maser: kosmiczny wzmacniacz mikrofal

Choć media chętnie piszą o „kosmicznym laserze”, naukowcy precyzyjnie zaznaczają: chodzi o maser, nie laser. Różnica wydaje się techniczna, ale ma znaczenie. Laser tworzy uporządkowaną wiązkę światła widzialnego, natomiast maser działa w zakresie mikrofal – to fotony o dłuższej fali, rejestrowane właśnie przez radioteleskopy.

Przeczytaj również: Astronomowie pierwszy raz widzą narodziny magnetara na żywo

W tym przypadku badacze mówią o tak zwanym gigamaserze, czyli ekstremalnie jasnym źródle mikrofal o bardzo wąskim zakresie częstotliwości. Obiekt wykryty przez radioteleskop MeerKAT w RPA bez problemu kwalifikuje się do tej kategorii, bo jego moc – w pierwotnym miejscu emisji – należała do absolutnej czołówki znanych zjawisk tego typu.

Gigamaser z układu HATLAS świecił w mikrofalach tak jasno, jak około 300 tysięcy Słońc, ale całą tę energię skupił w niezwykle wąskim paśmie częstotliwości.

Nie mamy tu więc ani rozpadającej się gwiazdy, ani sygnału od obcej cywilizacji. Źródło emisji jest znacznie bardziej przyziemne, chociaż sam proces i tak robi ogromne wrażenie.

Przeczytaj również: Astronomowie zaskoczeni nowym radiowym „sercem” kosmosu bijącym co 36 minut

Kolizja dwóch galaktyk: kosmiczny wypadek o gigantycznej skali

Analiza danych pokazała, że MeerKAT zarejestrował skutki zderzenia dwóch masywnych, pełnych gazu galaktyk w systemie HATLAS. Taki kosmiczny „karambol” nie trwa minut czy godzin, ale miliony lat. W jego trakcie ogromne obłoki materii są ściskane, rozrywane, przyspieszane i mieszane przez grawitację oraz fale uderzeniowe.

Wśród tego gazu znajdują się między innymi cząsteczki hydroksylu (OH) – to prosty związek złożony z jednego atomu tlenu i jednego atomu wodoru. W warunkach ekstremalnych, takich jak silne ściskanie i ogrzewanie, te molekuły mogą wpaść w tak zwany stan inwersji obsadzeń. Brzmi groźnie, ale chodzi o układ, w którym cząsteczki przechowują nadmiar energii i łatwo „zarażają” się nawzajem emisją fotonów.

Przeczytaj również: Astronomowie zaskoczeni tajemniczym sygnałem radiowym co 36 minut

Jak zwykły obłok gazu zamienia się w kosmiczny „laser”

W praktyce wygląda to tak: jedna mocno pobudzona molekuła hydroksylu emituje foton radiowy. Ten foton trafia do kolejnych, równie nabuzowanych energią molekuł i wywołuje w nich emisję nowych fotonów o dokładnie tej samej częstotliwości i lecących w tym samym kierunku. Foton napędza kolejny foton, a sygnał szybko narasta.

Chmura gazu działa jak wzmacniacz: fale mikrofalowe nie mieszają się chaotycznie, lecz nakładają się tak, aby wzmacniać się nawzajem i utworzyć silnie skupioną wiązkę.

Taki proces nazywa się emisją stymulowaną i jest sercem działania każdego lasera i masera – także tych wykorzystywanych w technice. W skali galaktyk prowadzi to do powstania kosmicznego reflektora, który wysyła w przestrzeń bardzo wąską, dokładnie „ustawioną” wiązkę mikrofal.

Podwójna amplifikacja: kwantowy efekt w gazie i soczewka grawitacyjna

W przypadku tego konkretnego gigamasera sprawa robi się jeszcze ciekawsza, ponieważ maserowa wiązka została dodatkowo wzmocniona przez zjawisko znane jako soczewkowanie grawitacyjne. To efekt opisany przez ogólną teorię względności Einsteina.

Na drodze sygnału stanęła bowiem trzecia, masywna galaktyka. Jej grawitacja była na tyle silna, że wyraźnie zakrzywiła lokalną strukturę czasoprzestrzeni. Fotony mikrofal wędrujące przez taki zniekształcony obszar podążają za geometrią zakrzywionej czasoprzestrzeni, co w praktyce działa jak naturalna soczewka.

• maser w chmurze hydroksylu wzmacnia sygnał na poziomie kwantowym, poprzez emisję stymulowaną,
• soczewka grawitacyjna skupia i doświetla wiązkę w skali kosmicznej,
• radioteleskop MeerKAT rejestruje wersję sygnału, który przeszedł dwustopniowe wzmocnienie – lokalne i galaktyczne.

Dzięki temu na Ziemię dotarł promień, który normalnie byłby za słaby, aby przebić się przez szum radiowy tła. Bez tej kosmicznej „optyki” astronomowie najpewniej nigdy nie zarejestrowaliby śladu zderzenia galaktyk z tak odległej epoki.

300 tysięcy Słońc w mikrofalach

Zespół badawczy oszacował, że maser w systemie HATLAS miał jasność porównywalną z około 300 tysiącami Słońc. Różnica polega na tym, że nasze Słońce emituje energię w bardzo szerokim zakresie fal, od radiowych po ultrafiolet, podczas gdy w przypadku masera ogromna moc kumuluje się w niezwykle wąskim wycinku widma elektromagnetycznego.

Hydroksyl wysyła lub pochłania fotony tylko na ściśle określonych częstotliwościach. To coś w rodzaju kodu kreskowego dla astronomów. Dzięki takim „liniom widmowym” da się rozpoznać obecność określonych molekuł, a także warunki panujące w danym rejonie kosmosu. Tutaj to właśnie linie OH stały się nośnikiem gigantycznej energii masera.

Skupienie mocy w wąskim paśmie sprawia, że radioteleskoper odbiera taki sygnał jako wyjątkowo intensywny, mimo że cała emisja rozchodzi się po niewyobrażalnie dużej przestrzeni.

Sygnał z młodego Wszechświata

Co dodatkowo fascynuje naukowców, to czas podróży tej kosmicznej wiadomości. Fotonom z gigamasera dotarcie do anten MeerKAT zabrało około 8 miliardów lat. W momencie emisji Wszechświat miał mniej więcej 5,8 miliarda lat, czyli znajdował się w fazie gwałtownego rozwoju galaktyk i intensywnego powstawania gwiazd.

W trakcie tak długiej podróży sygnał wielokrotnie słabł, rozciągał się wskutek rozszerzania się przestrzeni, mijał kolejne gromady galaktyk i pola magnetyczne. Do Ziemi dotarł jedynie jego „szept”, ledwo wyczuwalne muśnięcie nad tłem radiowym, które dopiero po wnikliwej analizie okazało się echem gigantycznego zdarzenia.

To, że MeerKAT w ogóle zarejestrował ten ślad, pokazuje zarówno skuteczność współczesnych instrumentów, jak i znaczenie takich naturalnych „wzmacniaczy” jak soczewki grawitacyjne. Bez nich ten potężny maser pozostałby dla nas niewidoczny, mimo swej olbrzymiej mocy w miejscu powstania.

Dlaczego gigamasery są tak cenne dla astronomów

Dla specjalistów masery nie są jedynie ciekawostką. Można je potraktować jak precyzyjne latarnie umieszczone w bardzo aktywnych rejonach kosmosu. Pochodzą z miejsc, gdzie dzieją się najbardziej burzliwe procesy: kolizje galaktyk, intensywne narodziny gwiazd, wzmożone przepływy gazu w pobliżu supermasywnych czarnych dziur.

Mierząc parametry takiej emisji, badacze potrafią wnioskować o:

Dzięki takim obiektom astronomowie składają w całość obraz tego, jak galaktyki rosną, łączą się, wymieniają gaz i jak zmienia się struktura Wszechświata w skali miliardów lat.

Jak to się ma do „dziwnych sygnałów” i obcych cywilizacji

Silny, bardzo ukierunkowany sygnał radiowy z odległego zakątka kosmosu brzmi jak opis klasycznej wiadomości od obcej cywilizacji. Doświadczenie ostatnich dekad uczy jednak, że natura potrafi sama wygenerować zjawiska, które z pozoru przypominają sztuczne transmisje. Gigamasery są jednym z takich przykładów.

Dzięki zrozumieniu procesów stojących za maserami astronomowie potrafią odfiltrować naturalne zjawiska od potencjalnie sztucznych sygnałów. Im lepiej znamy arsenał efektów generowanych przez gaz, gwiazdy i galaktyki, tym precyzyjniej można prowadzić poszukiwania rzeczywiście nietypowych transmisji, które trudno wyjaśnić w kategoriach czysto fizycznych.

W tym sensie każde nowe, ekstremalne zjawisko – takie jak gigamaser z HATLAS – nie tylko wzbogaca wiedzę o kosmicznej ewolucji, ale też pomaga ustawić czułość naszych „anten” na coś naprawdę wyjątkowego. Dzięki temu, jeśli kiedyś trafi się sygnał, który nie pasuje do żadnego znanego naturalnego procesu, będziemy mieli znacznie mocniejsze podstawy, by traktować go poważnie.