Najdokładniejsza mapa Wszechświata. Opracowali ją Polacy

Wszechświat dostał właśnie nową, rekordowo szczegółową mapę. Tym razem nie w świetle widzialnym, lecz w falach radiowych. Międzynarodowy zespół astronomów zdołał zarejestrować sygnały z 13,7 mln galaktyk, w tym tych napędzanych supermasywnymi czarnymi dziurami, a wśród autorów tego kosmicznego atlasu są badacze z kilku polskich instytucji. To jedno z tych osiągnięć, które redefiniują, jak naprawdę wygląda niebo nad naszymi głowami.

Jak czytamy na łamach Nauka w Polsce, nowy przegląd nieba oznaczony jako LoTSS-DR3 powstał dzięki sieci radioteleskopów LOFAR, pracującej na niskich częstotliwościach radiowych. To zakres, którego ludzkie oko w ogóle nie rejestruje, ale dla astrofizyków jest skarbnicą informacji o najbardziej energetycznych procesach we Wszechświecie.

Na tej mapie galaktyki nie świecą tak jak na zdjęciach z teleskopów optycznych. Zamiast spiral i mglistych plam widać rozległe, często zdeformowane struktury radiowe – ślady dżetów wyrzucanych z otoczenia supermasywnych czarnych dziur, burzliwego rodzenia się gwiazd i zderzeń galaktyk. To obraz kosmosu z perspektywy pola magnetycznego i promieniowania kosmicznego, a nie zwykłego światła.

LoTSS-DR3 obejmuje aż 13,7 mln aktywnych galaktyk. Każda z nich to osobny układ setek miliardów gwiazd, dysków gazu i ciemnej materii, ale w radiu widzimy przede wszystkim to, co najgłośniej krzyczy energetycznie: dżety, fale uderzeniowe, pozostałości po wybuchach supernowych. Dla astronomów to surowiec do badania ewolucji struktur kosmicznych od wczesnego Wszechświata po czasy współczesne.

Na pierwszym planie komunikatów naukowych pojawiają się zwykle duże zagraniczne instytuty, ale w tym projekcie polski ślad jest wyjątkowo wyraźny. W pracach nad przeglądem LoTSS-DR3 uczestniczą zespoły z Uniwersytetu Jagiellońskiego, Narodowego Centrum Badań Jądrowych, Uniwersytetu Warmińsko-Mazurskiego, Centrum Fizyki Teoretycznej PAN oraz Uniwersytetu Mikołaja Kopernika.

Polscy badacze pomagają interpretować dane, analizować strukturę ośrodka międzygwiazdowego w galaktykach oraz rekonstruować konfigurację pól magnetycznych i rozkład relatywistycznych cząstek. Radiowe mapy LOFAR-a pozwalają np. badać, jak daleko poza widoczne dyski gwiazd sięgają ogonki magnetyczne galaktyk i gdzie kosmiczne promieniowanie ucieka w przestrzeń międzygalaktyczną.

Polska uczestniczy w projekcie także bardzo konkretną infrastrukturą. W sieci LOFAR pracują 3 stacje zlokalizowane w naszym kraju: w Borówcu koło Poznania, w Bałdach koło Olsztyna oraz w Łazach koło Bochni. To zestawy dziesiątek anten, które w połączeniu z pozostałymi stacjami w Europie działają jak jeden gigantyczny radioteleskop o rozpiętości prawie 2 tys. km. Im większa odległość między stacjami, tym ostrzejszy obraz nieba udaje się uzyskać.

Zrobienie takiej mapy nie polega na jednym długim naświetlaniu nieba, tylko na dekadzie żmudnej i dokładnej pracy. LOFAR zbierał dane przez około 13 tys. godzin, a każde pole nieba musiało zostać zrekonstruowane z wielu obserwacji. Problem w tym, że Ziemia nie jest idealnym miejscem do takich pomiarów.

Fale radiowe na niskich częstotliwościach muszą przebić się przez jonosferę, czyli górną warstwę atmosfery, wypełnioną naładowanymi cząstkami. Działa ona niczym niestabilne szkło: raz zagina sygnał, innym razem go rozmywa. Aby obraz nieba był dobrze widoczny, zespół musiał opracować zupełnie nowe algorytmy korekcji tych zniekształceń.

Dopiero po latach projektowania, testów i optymalizacji udało się stworzyć procedury, które można stosować rutynowo. Algorytmy automatycznie rozpoznają wpływ jonosfery, poprawiają sygnał i składają go w ostre, szczegółowe obrazy. Z dużą rozdzielczością czasową można dzięki temu polować na źródła, które zmieniają się w czasie, np. gwiazdy oddziałujące ze swoimi planetami, błyski radiowe czy zmienne aktywne jądra galaktyk.

Tak ogromny przegląd nieba to nie tylko zwykły katalog galaktyk. To przede wszystkim kopalnia bardzo nietypowych obiektów. W danych z LOFAR-a zespół identyfikuje już rzadkie, zmienne źródła radiowe, nowe pozostałości po supernowych, a także jedne z największych i najstarszych znanych radiogalaktyk, rozciągających się na miliony lat świetlnych.

Na mapach widać też ślady oddziaływań egzoplanet z ich gwiazdami – niezwykle słabe emisje radiowe, które mogą w przyszłości stać się jednym z narzędzi do badania magnetosfer odległych światów. Z punktu widzenia kosmologii szczególnie interesujące jest to, że tak szczegółowe dane pozwalają śledzić, jak rozkłada się materia w przestrzeni kosmicznej i jak z czasem zmienia się struktura wielkoskalowa Wszechświata.

Przeczytaj także:

Każdy taki przegląd jest testem dla modeli opisujących powstawanie galaktyk, wzrost supermasywnych czarnych dziur i rolę pól magnetycznych w kształtowaniu kosmicznego krajobrazu. LoTSS-DR3 już teraz dostarcza materiału do setek osobnych analiz, a naukowcy traktują go raczej jako punkt startowy niż zamknięty projekt.