Teleskop odkrył kosmiczny megalaser. Świeci na potęgę
Hydroksylowy gigamaser pobił wszystkie dotychczasowe rekordy jasności. Ten kosmiczny laser zdradza, jak gwałtownie rodziły się gwiazdy w młodym Wszechświecie.
Nowe źródło, oznaczone katalogowo HATLAS J142935.3-002836, znajduje się tak daleko, że jego światło (a właściwie fale radiowe) wędrowało do nas około 8 mld lat. Oznacza to, że obserwujemy z epoki, gdy Wszechświat miał mniej niż połowę obecnego wieku.
To, co wykryli naukowcy, nie jest jednak klasycznym laserem znanym z filmów, literatury czy gier komputerowych, lecz tzw. maserem – naturalnym laserem pracującym w zakresie mikrofal i fal radiowych. W tym przypadku mamy do czynienia jednak z wyjątkowo potężnym hydroxylowym gigamaserem: źródłem tak jasnym, że jego moc przewyższa typowe megamasery o rząd wielkości.
Oznacza to, że zderzająca się galaktyka wysyła w przestrzeń sygnał radiowy, który staje się kosmiczną latarnią. Dzięki niemu można nie tylko odnaleźć samo zderzenie, lecz także precyzyjnie badać warunki panujące w gazie, z którego rodzą się nowe gwiazdy.
Maser, nie laser. Co tak właściwie wykrył MeerKAT?
Laser na Ziemi działa dzięki wzmacnianiu światła: fotony o tej samej energii popychają kolejne atomy lub cząsteczki, które emitują identyczne fotony. W efekcie powstaje równoległa, bardzo intensywna wiązka światła jednego koloru.
Maser to ten sam mechanizm, ale przesunięty w stronę dłuższych fal – mikrofal lub fal radiowych. W kosmosie powstaje on naturalnie, gdy cząsteczki gazu są pobudzane w bardzo specyficznych warunkach gęstości, temperatury i promieniowania.
W odkrytym obiekcie główną rolę grają cząsteczki hydroksylowe (OH) – proste cząsteczki złożone z atomu tlenu i wodoru. W obłokach gęstego gazu ich poziomy energetyczne ustawiają się w nienaturalnej konfiguracji, tak że zamiast tłumić promieniowanie radiowe, zaczynają je wzmacniać. W efekcie na częstotliwościach odpowiadających liniom OH (w okolicach 18 cm długości fali) widzimy potężny, bardzo wąski sygnał – właśnie hydroxylowy megamaser, a w tym przypadku gigamaser.
Dla astronomów to idealny znacznik ekstremalnych zjawisk, bowiem hydroxylowe masery pojawiają się przede wszystkim tam, gdzie galaktyki się zderzają, a w ich wnętrzach trwają gwałtowne wybuchy narodzin gwiazd.
Gdy galaktyki się zderzają, gaz zamienia się w kosmiczny nadajnik
Gospodarzem gigamasera jest para łączących się galaktyk – układ przypominający znane z bliższego otoczenia kosmicznego galaktyki Anteny. To typowy obraz intensywnego zderzenia: długie ogony gwiazd i gazu, potężne obłoki molekularne ściskane grawitacją i wstrząsami, a w środku burzliwy okres narodzin gwiazd.
W takich warunkach gazowe obłoki bogate w cząsteczki OH stają się idealnym ośrodkiem do emisji maserowej. Fale radiowe odbijają się w nich i są wielokrotnie wzmacniane, aż w końcu cała galaktyka staje się ogromnym, jednolitym nadajnikiem na wąskich liniach widmowych.
W przypadku HATLAS J1429 całkowita jasność emisji hydroxylowej – liczona jeszcze przed poprawką na soczewkowanie grawitacyjne – sięga log(L_OH/L_Słońca) ≈ 5,5. To czyni obiekt najbardziej pozornie jasnym hydroxylowym megamaserem, jaki kiedykolwiek zarejestrowano.
Dla badaczy to podwójna okazja, bo mogą śledzić zarówno fizykę samego masera, jak i procesy, które go zasilają – tempo powstawania gwiazd, ilość zimnego gazu, obecność supermasywnych czarnych dziur karmionych tym kosmicznym bałaganem.
Soczewka grawitacyjna: naturalny teleskop, który podkręcił sygnał
Gigamaser nie byłby tak łatwy do wykrycia, gdyby nie dodatkowa sztuczka ze strony natury. Między nami a odległą, zderzającą się galaktyką znajduje się zupełnie inna, bliższa galaktyka – masywna tarcza spiralna. To ona działa jak soczewka grawitacyjna: jej masa zakrzywia czasoprzestrzeń, a wraz z nią bieg promieni świetlnych.
Efekt jest podobny do patrzenia przez kroplę wody na szybie. Obraz odległego obiektu zostaje powiększony, rozciągnięty w łuk lub nawet pierścień, a jego jasność rośnie. W przypadku HATLAS J1429 przednia galaktyka wzmacnia tło mniej więcej 8-10 razy, tworząc tym samym niemal pełen pierścień Einsteina widoczny w obserwacjach optycznych i submilimetrowych.
Dzięki temu wzmacniaczowi astronomowie otrzymują unikatowe połączenie: ekstremalnie czuły radioteleskop na Ziemi, soczewkę grawitacyjną w środku i potężny maser w odległej galaktyce. To właśnie ta kombinacja pozwoliła zarejestrować sygnał ze stosunkiem sygnału do szumu przekraczającym 150 przy zaledwie niespełna 5 godz. obserwacji.
MeerKAT i południowoafrykańska szkoła ciężkiego radia
Za odkryciem stoi południowoafrykański radioteleskop MeerKAT. Jest to sieć 64 anten pracujących na pustynnym płaskowyżu Karoo. Instrument został zaprojektowany tak, aby był wyjątkowo czuły na bardzo słabe sygnały radiowe o długości fali rzędu kilkunastu centymetrów, idealne właśnie do polowania na hydroxylowe masery.
Ale sama moc detektorów to za mało. Zebrane dane liczone są w terabajtach, a żeby z nich wyłuskać pojedynczą, wąską linię widmową z odległego masera, potrzebne są wyspecjalizowane algorytmy przetwarzania sygnału i potężna infrastruktura obliczeniowa. Nad tym wszystkim pracują zespoły z Inter-University Institute for Data-Intensive Astronomy i kilku południowoafrykańskich uczelni, m.in. Uniwersytet w Pretorii.
Odkrycie gigamasera jest więc nie tylko sukcesem naukowym, ale też demonstracją, że ich zaplecze techniczne jest gotowe na erę jeszcze większych instrumentów – takich jak planowany radioteleskop Square Kilometre Array, który ma przejąć pałeczkę od MeerKAT i innych istniejących sieci.
Co mówi nam kosmiczny megalaser o ewolucji Wszechświata?
Hydroxylowe megamasery to bardzo rzadkie zjawiska, ale właśnie dlatego są tak cenne. Wskazują najbardziej gwałtowne zderzenia galaktyk, w których magazyny zimnego gazu zamieniają się w fabryki gwiazd, a czarne dziury dostają rekordowe porcje paliwa. Badania takich obiektów pozwalają zrozumieć, jak szybko rosły galaktyki w różnych epokach kosmicznej historii.
Dotąd większość hydroxylowych megamaserów znaliśmy z bardzo bliskiego Wszechświata – przy przesunięciach ku czerwieni mniejszych niż 0,25. Odkrycie tak jasnego gigamasera buduje pierwszy most do znacznie odleglejszych czasów. Jeżeli kolejne przeglądy MeerKAT i przyszłego SKA znajdą setki podobnych źródeł, będzie można z ich pomocą narysować statystyczną mapę tego, kiedy i jak często galaktyki łączyły się ze sobą.
Przeczytaj także:
Dodatkowym atutem jest tu soczewkowanie grawitacyjne. Wzmocnione przez nie sygnały mogą ujawnić słabsze megamasery, które normalnie byłyby niewidoczne, a także pozwolić zajrzeć w strukturę gazu z niespotykaną rozdzielczością kątową. To z kolei przybliża astronomów do odpowiedzi na pytanie, jak dokładnie rozkład gazu, pyłu i pól magnetycznych w galaktykach reguluje tempo powstawania gwiazd.
