Kosmiczny „laser” sprzed 8 mld lat. Astronomowie wyjaśniają niezwykły sygnał

Radioteleskop w RPA zarejestrował gigantyczny, wąski strumień fal radiowych z czasów, gdy młody Wszechświat dopiero się porządkował.

Naukowcy początkowo porównali go do kosmicznego lasera, ale w rzeczywistości to tzw. maser – niezwykle silne promieniowanie mikrofalowe, powstałe podczas zderzenia dwóch masywnych galaktyk odległych o około 8 miliardów lat świetlnych.

Nie laser, a maser: co właściwie zarejestrował MeerKAT?

13 lutego w bazie arXiv pojawiła się analiza sygnału, który od miesięcy elektryzował astronomów. Radioteleskop MeerKAT w Republice Południowej Afryki zarejestrował wyjątkowo intensywne fale radiowe, pochodzące z układu o technicznej nazwie HATLAS J142935.3–002836. Dla naukowców to jeden z najsilniejszych tego typu sygnałów odebranych z tak ogromnej odległości.

Choć w medialnych nagłówkach przewija się hasło „kosmiczny laser”, zjawisko ma nieco inny charakter. Chodzi o maser, czyli zjawisko wzmacniania promieniowania mikrofalowego przez pobudzoną materię. W uproszczeniu: laser dotyczy światła widzialnego, maser – mikrofal.

Przeczytaj również: Steam rozdaje kultową przygodówkę za darmo. Masz tylko tydzień

W tym przypadku mówimy o tzw. gigamaserze – ekstremalnie jasnym źródle mikrofal o bardzo wąskim paśmie częstotliwości. To kosmiczny odpowiednik gigantycznego reflektora, który świeci nie w całym zakresie fal radiowych, ale w wąziutkim fragmencie widma.

Najsilniejsze masery, określane jako gigamasery, potrafią świecić jak setki tysięcy Słońc, skupiając energię w wąskim zakresie częstotliwości.

Zderzenie dwóch galaktyk: jak powstał ten kosmiczny „reflektor”?

Klucz do zagadki leży w tym, co dzieje się, gdy zderzają się dwie ogromne galaktyki bogate w gaz. W układzie HATLAS właśnie taki proces trwał miliony lat. Grawitacja wykrzywiała dyski galaktyk, ściskała i mieszała ich obłoki gazu, pobudzając powstawanie gwiazd i wzmacniając turbulencje.

Przeczytaj również: 7 części garderoby, z których złożysz dziesiątki stylowych zestawów

W tych warunkach szczególnie interesująco zachowują się cząsteczki wodorotlenku (OH) – układu złożonego z jednego atomu tlenu i jednego atomu wodoru. W ekstremalnym środowisku, pod ogromnym ciśnieniem i przy bardzo intensywnym promieniowaniu, molekuły OH mogą wejść w tzw. stan odwróconej obsady poziomów energetycznych.

Łańcuchowa reakcja fotonów

Gdy cząsteczka wodorotlenku znajduje się w takim stanie, magazynuje dodatkową energię. Wystarczy, że jedna molekuła wyemituje foton radiowy o konkretnej częstotliwości, a może „sprowokować” sąsiednie cząsteczki do identycznej emisji.

Przeczytaj również: Fizycy z CERN namierzyli niezwykłą cząstkę cztery razy cięższą od protonu

Tworzy się efekt domina: każda wzbudzona molekuła emituje foton idealnie zsynchronizowany z poprzednim – o tej samej częstotliwości i skierowany w tę samą stronę. Obłok gazu przestaje zachowywać się jak losowo świecąca mgiełka, a zaczyna działać jak naturalny wzmacniacz.

Ogromny obłok gazu staje się kosmicznym „wzmacniaczem mikrofalowym”, który wypluwa w przestrzeń niezwykle skupioną wiązkę promieniowania.

Właśnie ten efekt – ogromna liczba molekuł emitujących spójne fotony – stworzył megamaser, który naukowcy obserwują dzisiaj jako niezwykle intensywny sygnał w zakresie mikrofal.

Kolimacja, czyli dlaczego ten sygnał był tak silny

Kiedy fotony są dobrze uporządkowane, wysyłane w tę samą stronę i w tej samej fazie, mówimy o kolimacji. Zamiast promieniującej we wszystkie strony żarówki dostajemy skupioną latarkę z mocno zawężoną wiązką.

W przypadku gigamaseru z HATLAS energia promieniowania skupiła się właśnie w takiej skoncentrowanej wiązce. To tłumaczy, dlaczego przy odległości około 8 miliardów lat świetlnych MeerKAT wciąż zarejestrował sygnał wyraźnie ponad przeciętnym tłem radiowym.

• źródło: dwie masywne, zderzające się galaktyki bogate w gaz,
• materiał wzmacniający: molekuły wodorotlenku w stanie odwróconej obsady,
• mechanizm: emisja stymulowana i wzmacnianie promieniowania w wąskim paśmie częstotliwości,
• efekt: intensywna, niemal „laserowa” wiązka mikrofal – gigamaser.

Grawitacyjna lupa: drugi stopień wzmocnienia

Na tym historia się nie kończy. Po opuszczeniu macierzystego układu, promieniowanie nie leciało do nas prostą linią. W drodze trafiło na kolejną masywną galaktykę, której grawitacja zadziałała jak ogromna soczewka.

Teoria względności przewiduje, że silna grawitacja zakrzywia czasoprzestrzeń. Dla światła oznacza to zmianę toru lotu – tak, jakby przechodziło przez szkło o wypukłym kształcie. W efekcie promieniowanie może się skupić, zostać rozciągnięte, rozdzielone na kilka obrazów albo dodatkowo wzmocnione.

Maser z HATLAS został wzmocniony dwa razy: najpierw w chmurze gazu przez efekt kwantowy, a potem przez galaktykę, która zadziałała jak naturalna soczewka grawitacyjna.

Dla radioteleskopu na Ziemi oznacza to większą szansę na zarejestrowanie zjawiska. Bez tego „przypadkowego” ustawienia galaktyk na jednej linii, sygnał z maseru byłby znacznie słabszy, a być może zupełnie nieosiągalny dla naszych instrumentów.

Jasność jak 300 tysięcy Słońc w jednym paśmie

Z analizy danych wynika, że sam gigamaser miał jasność porównywalną z emisją 300 tysięcy Słońc. Różnica w stosunku do zwykłej gwiazdy polega na tym, że tutaj energia prawie w całości skupia się w bardzo wąskim paśmie częstotliwości, charakterystycznym dla przejść energetycznych molekuł OH.

Cząsteczki wodorotlenku nie świecą w dowolny sposób – ich emisja i absorpcja fotonów zachodzi tylko dla konkretnych, „wybranych” częstotliwości. Gdy tak ogromna liczba molekuł zaczyna działać synchronicznie, powstaje wąska, ale niezwykle intensywna linia w widmie radiowym, która wręcz wybija się na tle pozostałego promieniowania.

Po miliardach lat podróży ten potężny sygnał oczywiście bardzo osłabł. Fale radiowe musiały przebić się przez rozrastającą się przestrzeń, pola magnetyczne, grawitacyjne zawirowania i materię międzygalaktyczną. Do anten MeerKAT dotarł już tylko „szept” dawnego giganta, ale wystarczająco czytelny, by dało się go przeanalizować.

Jak takie zjawiska pomagają zrozumieć młody Wszechświat

Moment, w którym powstał ten gigamaser, przypada na czas, gdy Wszechświat miał około 5,8 miliarda lat – mniej więcej połowę obecnego wieku. To okres wyjątkowo intensywnego formowania gwiazd oraz częstych zderzeń galaktyk, które łączyły się w coraz większe struktury.

Dla astronomów takie naturalne „latarnie” są bezcennym narzędziem. Analizując linie molekuł wodorotlenku, można odtworzyć warunki fizyczne w odległych galaktykach: gęstość gazu, jego temperaturę, tempo powstawania gwiazd i dynamikę zderzenia.

Czy to mógł być sygnał obcej cywilizacji?

Takie pytanie niemal automatycznie pojawia się przy każdym nietypowym sygnale radiowym z kosmosu. W tym przypadku odpowiedź jest bardzo jasna: wszystko wskazuje na czysto naturalne zjawisko fizyczne.

Charakterystyczne linie widmowe, zgodność częstotliwości z przejściami energetycznymi molekuł OH, powiązanie z zderzeniem galaktyk i soczewkowaniem grawitacyjnym – to zestaw cech, którego nie da się sensownie wytłumaczyć sztucznym pochodzeniem. Dla naukowców to raczej potwierdzenie, że znane mechanizmy fizyczne potrafią generować sygnały, które z daleka wyglądają wyjątkowo spektakularnie.

Dlaczego masery kosmiczne są tak cennym narzędziem?

Astrofizycy od lat używają naturalnych maserów jako precyzyjnych „sond” do badania kosmosu. W naszej galaktyce rejestruje się je m.in. w obłokach, gdzie rodzą się gwiazdy, oraz w pobliżu czarnych dziur. Umożliwiają bardzo dokładne pomiary prędkości gazu i odległości do źródeł, a w skali kosmicznej pozwalają kalibrować modele rozszerzania się Wszechświata.

Gigamaser z HATLAS jest wyjątkowo cenny, bo łączy w sobie kilka zjawisk naraz: ekstremalne warunki fizyczne w zderzających się galaktykach, efekt kwantowy związany z emisją wymuszoną oraz geometrię wykrzywioną przez grawitację masywnych obiektów. Dzięki temu jedna obserwacja dostarcza informacji o bardzo różnych aspektach kosmosu – od mikroświata cząsteczek po strukturę galaktyk i własności czasoprzestrzeni.

Dla przeciętnego obserwatora taki sygnał może brzmieć jak ciekawostka z działu „kosmos”. W praktyce to rodzaj naturalnego laboratorium, w którym fizycy mogą sprawdzać swoje teorie w warunkach nieosiągalnych na Ziemi. Im więcej podobnych maserów uda się wychwycić za pomocą nowoczesnych radioteleskopów, tym precyzyjniej da się opisać historię galaktyk oraz tempo, w jakim zmienia się struktura Wszechświata w skali miliardów lat.