Historyczny sygnał z kosmosu: teleskop z RPA rejestruje zderzenie galaktyk sprzed 8 miliardów lat

Astronomiczny świat obiegła wiadomość o przechwyceniu niezwykłego echa z przeszłości: południowoafrykański radioteleskop MeerKAT namierzył sygnał wyemitowany aż 8 miliardów lat temu. To potężne promieniowanie powstało w samym sercu kosmicznej katastrofy, jaką jest zderzenie dwóch galaktyk, i przebyło niewyobrażalny dystans, by dotrzeć do naszych anten. Rejestracja tego rekordu była możliwa tylko dzięki unikalnemu ustawieniu ciał niebieskich, które stworzyło naturalną, grawitacyjną soczewkę powiększającą.

Radioteleskop z RPA zarejestrował niezwykle silny sygnał radiowy, który wyruszył w drogę, gdy młode kosmiczne otoczenie wyglądał zupełnie inaczej niż dziś.

To naturalne promieniowanie, powstałe w rejonie gwałtownego zderzenia dwóch odległych galaktyk, pokonało ponad 8 miliardów lat świetlnych. Do anten południowoafrykańskiego teleskopu MeerKAT dotarło dzięki wyjątkowemu układowi trzech obiektów, który zadziałał jak gigantyczna soczewka.

Rekordowy sygnał radiowy z czasów młodego kosmosu

Źródłem emisji jest obiekt oznaczony jako HATLAS J142935.3-002836. Astronomowie patrzą na niego tak, jak wyglądał, gdy kosmiczne otoczenie miało około 5 miliardów lat – mniej niż połowę obecnego wieku. Dla nauki to podróż w czasie do epoki intensywnego tworzenia gwiazd i częstych zderzeń galaktyk.

Sygnał, który uchwycił MeerKAT, należy do tzw. megamaserów hydroksylowych. Chodzi o bardzo jasne emisje radiowe pochodzące od cząsteczek z grupy OH, pobudzonych ekstremalnymi warunkami w rejonie kolizji galaktyk. Do tej pory takie obiekty udawało się znajdować głównie stosunkowo blisko, w skali kosmicznej oczywiście.

Nowo zarejestrowane promieniowanie pochodzi z największej odległości, z jakiej kiedykolwiek udało się usłyszeć tego typu sygnał radiowy, a jego intensywność bije dotychczasowe rekordy.

Naukowcy z zespołu kierowanego przez Marcina Głowackiego z Uniwersytetu w Pretorii sugerują, że ten obiekt przechodzi już do nowej kategorii – tzw. gigamaserów. Oznacza to, że świeci w radiu jeszcze mocniej niż wszystkie znane wcześniej megamasery hydroksylowe.

Jak kosmiczna „lupa” wzmocniła niemal niesłyszalny szept

Bez dodatkowego, sprzyjającego układu materii sygnał z tak odległej galaktyki byłby dla naszych instrumentów po prostu za słaby. Fale radiowe rozpraszają się z odległością, a ich natężenie maleje do poziomu, którego nie da się odróżnić od szumu tła.

W tym przypadku pojawił się jednak niezwykle szczęśliwy zbieg okoliczności. Między Ziemią a źródłem emisji znajduje się inna, masywna galaktyka. Jej grawitacja zakrzywia przestrzeń wokół niej i zmienia tor biegu fal radiowych. Dla astronomów to znane zjawisko – soczewkowanie grawitacyjne.

Masywna galaktyka po drodze zadziałała jak naturalna lupa: wygięła i skupiła fale radiowe, wielokrotnie wzmacniając ich jasność.

Badacze oszacowali, że bez tego efektu promieniowanie byłoby poza zasięgiem nawet tak czułego instrumentu jak MeerKAT. Dzięki soczewce grawitacyjnej udało się nie tylko zauważyć sygnał, lecz także lepiej go przeanalizować – przyjrzeć się jego strukturze i rozkładowi częstotliwości.

MeerKAT i polski akcent w analizie danych

MeerKAT, zlokalizowany w suchym regionie Karoo w RPA, składa się z 64 anten połączonych w jeden system. Twórcy projektu zaprojektowali go specjalnie z myślą o polowaniu na słabe sygnały radiowe z dalekich rejonów kosmosu.

• 64 precyzyjne anteny radiowe działające jako jeden instrument
• lokalizacja w odludnym, radiowo cichym obszarze pustynnym
• ciągłe monitorowanie wybranych fragmentów nieba na południu
• wysoka czułość na bardzo słabe emisje radiowe

Zespół Marcina Głowackiego zidentyfikował tę rzadką konfigurację dzięki analizie danych z programu MeerKAT Absorption Line Survey. Wstępne wyniki trafiły do serwisu Arxiv, gdzie badacze opisują unikatowe ustawienie trzech obiektów: źródła, soczewkującej galaktyki i Ziemi. Taki układ tworzy naturalną aparaturę pomiarową, której nie da się odtworzyć w laboratorium.

Gdy galaktyki zderzają się i zapalają kosmiczny „laser”

Sama fizyka megamasera hydroksylowego może brzmieć egzotycznie, ale mechanizm jest zaskakująco podobny do tego, co znamy z laserów. Zamiast światła widzialnego mamy tu fale radiowe, a zamiast niewielkiej lampy – obszar o rozmiarach całej galaktyki.

Do kolizji dochodzi w rejonie, gdzie dwie masywne galaktyki wpadły na siebie i zaczęły się ze sobą mieszać. Ich pokłady gazu molekularnego zostały ściśnięte do ekstremalnych gęstości. W takich warunkach cząsteczki hydroksylu przechodzą w stan podwyższonej energii i chętnie oddają ją w formie bardzo uporządkowanej emisji radiowej.

Gigamaser to w praktyce gigantyczny, naturalny „laser radiowy” napędzany zderzeniem galaktyk i intensywną produkcją nowych gwiazd.

W HATLAS J142935 tempo powstawania gwiazd szacuje się na setki mas Słońca rocznie. Dla porównania, Droga Mleczna tworzy ich około jednej, maksymalnie kilku rocznie. Ta różnica pokazuje, jak ekstremalne są tam warunki i dlaczego emisja radiowa osiąga tak imponującą moc.

Co megamasery mówią o historii galaktyk

Rejestrując takie obiekty, astronomowie zyskują narzędzie do badania gazu molekularnego w bardzo odległych galaktykach. Rozkład i gęstość materii w tych rejonach wpływa na tempo rodzenia gwiazd, aktywność centralnych czarnych dziur i ogólny kształt galaktyk w długich skalach czasu.

Analiza linii radiowych pochodzących od cząsteczek hydroksylu pozwala:

• szacować masę i rozmieszczenie zimnego gazu, z którego powstają gwiazdy,
• śledzić etapy zderzenia galaktyk – od pierwszego kontaktu po pełne połączenie,
• badać, jak często i jak gwałtownie przebiegają takie procesy w różnych epokach kosmicznych.

Radiowe sygnały tego typu nie są zasłaniane przez pył w takim stopniu jak światło widzialne, więc pozwalają zajrzeć do bardzo gęstych, zakurzonych centrów galaktyk, niewidocznych dla klasycznych teleskopów optycznych.

Polowanie na tysiące kosmicznych „laserów” dopiero się zaczyna

Zarejestrowanie pierwszego gigamasera hydroksylowego wzmocnionego soczewką grawitacyjną ma dla astronomów znaczenie strategiczne. Pokazuje, że ta metoda faktycznie działa i może otworzyć drogę do masowego wykrywania podobnych obiektów.

Szacunki sugerują, że odległe kosmiczne otoczenie kryje bardzo dużo megamaserów, które pozostają poza naszym zasięgiem wyłącznie dlatego, że świecą za słabo. Jeśli na linii widzenia znajdzie się jednak masywny obiekt soczewkujący, szansa na ich zauważenie rośnie wielokrotnie.

Naukowcy chcą teraz celowo patrzeć w kierunku skupisk galaktyk, które najskuteczniej zakrzywiają przestrzeń i wzmacniają przechodzące przez nie fale radiowe.

MeerKAT dziś, SKA jutro

MeerKAT to dopiero wstęp do znacznie większego projektu – Square Kilometre Array (SKA). W najbliższych latach w RPA i Australii powstanie sieć tysięcy anten, które łącznie zapewnią powierzchnię zbierającą fale radiowe porównywalną z kilometrem kwadratowym.

Pierwsze elementy SKA mają zacząć działać około 2028 roku. Po połączeniu danych z MeerKAT i SKA badacze otrzymają niespotykany wcześniej zestaw informacji o słabych sygnałach radiowych z odległych galaktyk. To pozwoli śledzić ewolucję megamaserów od wczesnych epok aż po czasy bliższe współczesnym.

Dlaczego pojedynczy sygnał tak dużo zmienia

Na pierwszy rzut oka może się wydawać, że to „tylko” egzotyczna ciekawostka: rekordowy sygnał z odległego zakątka. W praktyce takie rejestracje budują podstawę do odpowiedzi na bardzo praktyczne pytania: jak szybko rosły galaktyki, jak często się zderzały, ile gwiazd powstawało w różnych fazach rozwoju kosmicznego otoczenia.

Gigamaser zarejestrowany przez MeerKAT pokazuje też, jak ważne stają się dziś sprytne strategie obserwacyjne. Nie chodzi wyłącznie o budowę coraz większych teleskopów. Klucz tkwi w umiejętnym wykorzystaniu naturalnych zjawisk – takich jak soczewkowanie grawitacyjne – żeby „pożyczyć” sobie moc grawitacji całych galaktyk.

Dla osób spoza astronomii ciekawy może być sam mechanizm działania takich „laserów radiowych”. Podobne procesy wzmacniania promieniowania stosują technologia radarowa, komunikacja satelitarna czy medycyna. Analiza megamaserów to więc także poligon testowy dla metod obróbki bardzo słabych sygnałów, które później trafiają do innych dziedzin.

W kolejnych latach można oczekiwać, że w doniesieniach naukowych coraz częściej będą pojawiać się informacje o nowych megamaserach i gigamaserach. Każdy z nich to dodatkowy punkt danych w kosmicznej układance, z której badacze próbują zrekonstruować historię gwałtownych zderzeń galaktyk i narodzin gwiazd na przestrzeni miliardów lat.