„Kosmiczny laser” sprzed 8 miliardów lat. Astronomowie tłumaczą tajemniczy sygnał

Radioteleskop w RPA zarejestrował niezwykle silny sygnał z głębi kosmosu, który rozpoczął swoją podróż, gdy Wszechświat był jeszcze „nastolatkiem”.

Na pierwszy rzut oka wyglądało to jak kosmiczny laser wycelowany prosto w Ziemię. W rzeczywistości astronomowie zarejestrowali coś jeszcze ciekawszego: gigantyczny maser, czyli wąski strumień mikrofal, wzmocniony w bardzo nietypowych warunkach. Sygnał dotarł do nas z odległości około 8 miliardów lat świetlnych, z galaktycznego układu znanego jako HATLAS J142935.3–002836.

„Kosmiczny laser”, który wcale nie jest laserem

W mediach łatwo przykleić takiemu zjawisku etykietkę „lasera z kosmosu”, ale fizycy szybko prostują: chodzi o maser. Różnica jest prosta, choć kluczowa. Laser to wzmocnione i uporządkowane światło widzialne, natomiast maser działa na podobnej zasadzie, ale w paśmie mikrofal.

W obu przypadkach chodzi o ten sam mechanizm fizyczny: fotony o tej samej energii i kierunku wzajemnie się „nakręcają”, aż powstaje bardzo intensywna, dobrze ukierunkowana wiązka. W kosmosie, gdy zjawisko osiąga skrajne wartości, astronomowie mówią o megamaserach lub gigamaserach. Takie obiekty świecą w wąskim zakresie częstotliwości z jasnością, która w skali galaktycznej robi ogromne wrażenie.

Gigamaser z układu HATLAS należy do najpotężniejszych sygnałów radiowych, jakie kiedykolwiek zarejestrowano z tak dużej odległości.

To właśnie taki sygnał przechwycił radioteleskop MeerKAT w Republice Południowej Afryki, a jego analiza trafiła do bazy arXiv jako jedno z najciekawszych tegorocznych doniesień dla miłośników astronomii.

Galaktyczne zderzenie, które rozpaliło kosmiczny maser

Źródło sygnału nie ma nic wspólnego z tajemniczymi cywilizacjami ani egzotycznymi nadajnikami. Badania wskazują na brutalne, ale dobrze znane zjawisko: zderzenie dwóch masywnych galaktyk bogatych w gaz.

Podczas takiego kosmicznego karambolu, trwającego miliony lat, obłoki materii ulegają ogromnym ściskaniom i zawirowaniom. W HATLAS szczególną rolę odegrały tam wielkie chmury cząsteczek hydroksylowych, czyli grup OH, złożonych z jednego atomu tlenu i jednego atomu wodoru.

Jak z chmury gazu robi się naturalny wzmacniacz

W ekstremalnych warunkach kolizji te cząsteczki trafiły w tzw. stan odwrócenia obsadzeń. To specjalna konfiguracja energetyczna, w której wiele molekuł „trzyma w sobie” dodatkową energię i jest gotowych wypromieniować ją w postaci fotonów radiowych.

Gdy jedna z nich w końcu emituje foton o odpowiedniej częstotliwości, uruchamia lawinę. Ten foton może wymusić emisję takich samych fotonów w sąsiednich cząsteczkach. One pobudzają kolejne i tak dalej. Każda wzbudzona molekuła dodaje do wiązki foton o tej samej energii, poruszający się w tym samym kierunku.

Cały obłok gazu zmienia się w gigantyczny, naturalny wzmacniacz mikrofal, który tworzy silny, wąski strumień promieniowania.

Fale przestają sumować się przypadkowo. Zamiast tego układają się „w fazie”, czyli wzmacniają się wzajemnie, zamiast częściowo wygaszać. Powstaje dobrze skolimowany, bardzo jasny „promień”, który może przebić się przez kosmiczne przestrzenie i jeszcze po miliardach lat dać się zarejestrować z Ziemi.

Podwójne wzmocnienie: od fizyki kwantowej do zakrzywionej czasoprzestrzeni

Sam maser to dopiero pierwsza warstwa historii. Analizy pokazują, że sygnał został dodatkowo wzmocniony przez zjawisko znane jako soczewkowanie grawitacyjne.

Po drodze do nas wiązka mikrofal minęła inną, masywną galaktykę. Jej grawitacja była na tyle silna, że lokalnie zakrzywiła czasoprzestrzeń. Dla promieniowania radiowego działało to tak, jakby po drodze znalazła się ogromna, niewidzialna soczewka z gigantyczną ogniskową.

Taka soczewka nie tylko wzmacnia sygnał, ale też może delikatnie zmienić kierunek, w którym jest on wysyłany. Dzięki temu coś, co normalnie poszłoby bokiem, nagle trafia prosto w nasze radioteleskopy.

To, co zarejestrował MeerKAT, jest efektem połączenia dwóch zjawisk: kwantowego wzmocnienia w chmurze gazu i geometrycznego wzmocnienia w skali galaktycznej.

Dla astronomów to wymarzona sytuacja, bo taka „podwójna premia” pozwala badać procesy, które w innej konfiguracji byłyby zbyt słabe, by dało się je wykryć z Ziemi.

Jasność jak 300 tysięcy Słońc, ale w mikroskopijnym paśmie

Zespół analizujący dane oszacował, że gigamaser z HATLAS miał jasność porównywalną z około 300 000 Słońc. Jest tu jednak pewien haczyk: ta moc nie była rozlana po całym widmie elektromagnetycznym.

Molekuły OH emitują promieniowanie tylko na bardzo konkretnych częstotliwościach. Każda taka linia widmowa odpowiada przejściu energetycznemu między dwoma poziomami w cząsteczce. Cała energia sygnału została więc upchnięta w kilka wąskich pasm radiowych, zamiast rozpraszać się po szerokim zakresie barw i fal.

• jasność zbliżona do setek tysięcy Słońc,
• energia skoncentrowana w wąskim paśmie częstotliwości,
• wzmocnienie przez maser w chmurze OH,
• dodatkowe wzmocnienie przez soczewkowanie grawitacyjne,
• rejestracja przez czuły radioteleskop MeerKAT.

Dzięki temu, mimo gigantycznej odległości, promieniowanie wciąż wystawało ponad tło szumów i dało się je wyłowić z danych radiowych.

Podróż przez burzliwy kosmos

Trzeba pamiętać, że mówimy o sygnale wysłanym, gdy Wszechświat miał około 5,8 miliarda lat. Od tego momentu wiązka masera przeszła niewyobrażalny dystans, w trakcie którego przestrzeń się rozszerzała, galaktyki zderzały i przemieszczały, a pola magnetyczne tworzyły prawdziwy chaos.

Po drodze energia stopniowo słabła, część fotonów rozpraszała się lub zmieniała energię. To, co dziś rejestrują anteny MeerKAT, to zaledwie cień pierwotnego zjawiska, delikatne drżenie na tle kosmicznego szumu. Sama możliwość jego wykrycia pokazuje, jak daleko doszła technika obserwacyjna i jak potężnym narzędziem jest soczewkowanie grawitacyjne w rękach astronomów.

Dlaczego taki maser ekscytuje naukowców

Choć dla laików to „tylko” egzotyczny sygnał z bardzo daleka, dla badaczy to kopalnia informacji o młodych galaktykach i ich ewolucji. Gigamasery OH szczególnie dobrze śledzą obszary intensywnego formowania gwiazd i zderzeń bogatych w gaz.

Dzięki takiemu sygnałowi można:

Takie sygnały pomagają też skalibrować metody pomiaru odległości i mas galaktyk. Gdy porównuje się dane radiowe, optyczne i podczerwone, rysuje się coraz dokładniejszy obraz dawnych etapów kosmicznej historii.

Co to oznacza dla przyszłych obserwacji

MeerKAT jest przedsmakiem tego, co przyniosą jeszcze potężniejsze instrumenty, jak budowany radioteleskop SKA (Square Kilometre Array). Im większa czułość i szersze pasmo, tym więcej podobnych maserów da się wyłapać z tła.

Seria takich detekcji pozwoli stworzyć statystyczny obraz zderzeń galaktyk w różnych epokach kosmicznych. Naukowcy liczą, że dzięki temu lepiej zrozumieją, kiedy i jak szybko rosną supermasywne czarne dziury, jak rozkłada się ciemna materia oraz jak często w historii Wszechświata dochodziło do spektakularnych kolizji bogatych w gaz struktur.

Dla zwykłego odbiorcy może to wszystko brzmieć jak bardzo specjalistyczna łamigłówka, ale stoi za tym jedna prosta myśl: każde takie zarejestrowane promieniowanie to wiadomość z bardzo dalekiej przeszłości. Gdy bada się jego własności, można rekonstruować warunki panujące miliardy lat temu – trochę jak archeolog, który z kilku fragmentów ceramiki odtwarza cały dom.

Warto też wiedzieć, że masery nie są wyłącznie kosmiczną ciekawostką. Podobne mechanizmy działały w pierwszych laserach i maserach laboratoryjnych, które otworzyły drogę do GPS, skanerów kodów kreskowych czy precyzyjnych zegarów atomowych. Im lepiej rozumiemy naturalne procesy wzmacniania promieniowania w kosmosie, tym więcej inspiracji można czerpać dla technologii na Ziemi – od nowych typów detektorów po lepsze systemy komunikacji radiowej w ekstremalnych warunkach.