Odkryli ukryte kosmiczne struktury. "Morze światła pomiędzy galaktykami"
Zamiast liczyć pojedyncze galaktyki, zmierzyli całe morze światła, które wypełnia przestrzeń pomiędzy nimi. Dzięki temu odsłonili ukryte, kosmiczne struktury sprzed 10 mld lat, kiedy Wszechświat był w najbardziej burzliwym okresie swojego życia.
Nowa mapa powstała z danych zebranych w ramach projektu HETDEX, wykorzystującego ogromny teleskop w Teksasie. Naukowcy nie polowali tu na pojedyncze obiekty, ale na bardzo konkretny rodzaj światła, a mianowicie na promieniowanie Lyman-alfa, wysyłane przez wzbudzone atomy wodoru.
To właśnie wodór jest głównym budulcem kosmosu. Gdy młode, gorące gwiazdy bombardują go promieniowaniem, atomy wodoru świecą w ultrafiolecie charakterystyczną linią. Działa ona dosłownie jak neonowy marker: pokazuje miejsca intensywnego formowania gwiazd, a także rozkład gazu w przestrzeni międzygalaktycznej.
Problem jednak w tym, że mówimy o bardzo odległej epoce. Światło, które trafiło na tę mapę, zostało wysłane 9-11 mld lat temu i po drodze zostało rozciągnięte przez rozszerzanie się Wszechświata. W teleskopie nie wygląda już jak kompaktowy punkt, ale jak delikatna poświata rozlana po ogromnych odcinkach przestrzeni. Klasyczne przeglądy galaktyk widzą tylko najjaśniejsze wyspy. Cała reszta, czyli słabsze galaktyki i rozproszony gaz, zwykle po prostu wymyka się obserwacjom.
Jak zobaczyć to, co zbyt słabe, by dało się policzyć?
Tradycyjne przeglądy obejmują pojedyncze galaktyki, mierzą ich odległości i pozycje, a potem z tego składają mapę. To trochę tak, jakbyśmy nocą z samolotu zaznaczali na mapie tylko najjaśniejsze miasta. Dostajemy ogólny szkic, ale nie widzimy mniejszych miejscowości ani rozmytej poświaty między nimi.
Wykorzystane w tym przypadku mapowanie intensywności działa odwrotnie. Zamiast pytać: gdzie są konkretne galaktyki?, astronomowie pytają: ile światła Lyman-alfa jest w każdym małym kawałku przestrzeni? To tak, jakby patrzeć na ten sam obraz przez lekko zamazaną szybę: pojedynczych miast nie widać wyraźnie, ale za to widzimy całe rozkłady jasności – wszystkie światła razem, również te na prowincji i w miasteczkach, które normalnie zlałyby się z tłem.
Żeby to zrobić HETDEX zebrał ponad 600 mln widm światła z obszaru nieba odpowiadającego ponad 2 tys. pełni Księżyca. Większość tych danych w innych projektach trafiłaby do kosza jako zwykły szum. Tu stała się dosłownie paliwem do nowej mapy. Superkomputery wyłowiły z tego potoku informacji sygnał Lyman-alfa, a następnie zrekonstruowały jego rozkład w 3D – w przestrzeni i w czasie kosmicznym.
Dodatkowy trik polegał na wykorzystaniu jasnych galaktyk jako drogowskazów. Wiemy przecież, że materia grawitacyjnie się zlepia: tam, gdzie jest jedna duża galaktyka, zwykle kryją się też słabsze obiekty i gaz. Łącząc pozycje tych jasnych latarniani z rozkładem rozmytego sygnału, naukowcy mogli wydobyć z szumu znacznie więcej informacji, niż dałoby się wycisnąć z samych katalogów galaktyk.
Gdy Wszechświat produkował gwiazdy na akord
Nowa mapa obejmuje okres, który astrofizycy nazywają Kosmicznym Południem. To czas, kiedy Wszechświat miał mniej więcej 3-4 mld lat i przeżywał swój gwiezdny szczyt produkcyjny. Galaktyki pożerały gaz, formowały kolejne pokolenia gwiazd, zderzały się i łączyły, budując struktury, które dziś widzimy w bardziej dojrzałej formie.
Do tej pory mieliśmy z tego czasu głównie mapy rozmieszczenia najjaśniejszych galaktyk, z których można było odtworzyć wielkoskalowy szkielet kosmicznej sieci. Teraz dostajemy coś w rodzaju termowizji – mapę całej poświaty wodoru, która pokazuje nie tylko same węzły tej sieci, lecz także włókna i delikatne strużki gazu rozciągające się między galaktykami.
Oznacza to, że w końcu możemy śledzić, jak gaz przepływał między galaktykami, gdzie gęstniał, gdzie był wywiewany przez wiatry gwiazdowe i wybuchy supernowych, a gdzie pozostawał w ogromnych, rozrzedzonych morach światła. To właśnie ten słaby blask tworzy coś na kształt niewidzialnego oceanu, w którym zanurzone są wszystkie kosmiczne wyspy.
Dzięki temu lepiej rozumiemy też, jak środowisko zewnętrzne wpływało na los galaktyk. Inaczej zachowuje się mała galaktyka błąkająca się samotnie, a inaczej obiekt wciśnięty w gęsty węzeł kosmicznej sieci, otoczony gorącym, jonizowanym gazem. Intensywność i rozkład Lyman-alfa mówią nam, jak ten gaz był ogrzewany, jak chłodził się i jak dostarczał paliwo do kolejnych wybuchów formowania gwiazd.
Od szkicu do pełnoprawnej mapy kosmosu
Najciekawsze jest to, że tak naprawdę to dopiero pierwszy krok. Nowa mapa dotyczy tylko jednego koloru – emisji wodoru w linii Lyman-alfa. Astronomowie już teraz planują nałożenie na nią kolejnych warstw, chociażby map promieniowania od tlenku węgla, które śledzi najgęstsze, zimne obłoki, gdzie rodzą się gwiazdy, czy przyszłych map fal radiowych od neutralnego wodoru w długości 21 cm.
Połączenie takich warstw da coś w rodzaju wielospektralnej tomografii młodego Wszechświata. Zobaczymy nie tylko, gdzie były galaktyki, ale też w jakim otoczeniu grawitacyjnym żyły, jaką miały dostępność paliwa, jak szybko to paliwo traciły i jak gaz w ich sąsiedztwie był podgrzewany przez promieniowanie i wybuchy.
Przeczytaj także:
Równolegle takie projekty, jak HETDEX nadal będą robić to, w czym były dobre od samego początku – mierzyć ekspansję kosmosu i badać naturę ciemnej energii. Teraz jednak widać, że ten sam potężny strumień danych może przy okazji odsłonić coś więcej, a mianowicie subtelne, ukryte struktury, które łączą w całość to, co do tej pory rysowaliśmy w bardzo dużym uproszczeniu.
Jeśli dzisiejsze mapy galaktyk były szkicem układu kontynentów, to mapy intensywności Lyman-alfa zaczynają przypominać mapę prądów morskich, stref klimatycznych i głębin. Zamiast kilku punktów na czarnym tle dostajemy pełnoprawne morze światła pomiędzy galaktykami i zupełnie nową szansę, by zrozumieć, jak z tego morza wyłonił się Wszechświat, który znamy.
