Sygnał leciał do nas 10,6 mld lat. To nowy kosmiczny rekord

Przez 10,6 mld lat przemierzał kosmos, żeby na Ziemi pojawić się na zaledwie kilka milisekund. Astronomowie zarejestrowali najdalszy szybki rozbłysk radiowy, którego źródło udało się dotąd zidentyfikować. Sygnał powstał w czasach, gdy Wszechświat miał zaledwie 3 mld lat. Do jego odkrycia potrzebne były radioteleskopy w Republice Południowej Afryki, a do ustalenia miejsca pochodzenia Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba. Wyniki zaskoczyły naukowców, bo za rekordowym sygnałem nie stoi potężna galaktyka, lecz niewielki obiekt, który dopiero intensywnie budował swoje gwiazdy.

Jeszcze w 2023 r. astronomowie świętowali odkrycie szybkiego rozbłysku radiowego FRB 20220610A. Jego sygnał potrzebował około 8 mld lat, żeby dotrzeć do Ziemi. Był najdalszym znanym wówczas przypadkiem takiego zjawiska, którego galaktykę macierzystą udało się wskazać.

Opisywaliśmy wtedy, że odkrycie pozwoli nie tylko badać źródła tajemniczych błysków, lecz także poszukiwać materii ukrytej pomiędzy galaktykami. Teraz naukowcy przesunęli granicę obserwacji znacznie dalej. Nowy rekordzista otrzymał oznaczenie FRB 20240304B. Został wykryty 4 marca 2024 r. przez południowoafrykański radioteleskop MeerKAT, pracujący w ramach projektu MeerTRAP. To rozbudowany system 64 anten, który pozwala obserwować niebo i wychwytywać bardzo krótkie sygnały radiowe.

Sam rozbłysk trwał kilka milisekund. Mimo tak krótkiego czasu był wystarczająco silny, żeby radioteleskopy zarejestrowały go po podróży trwającej ponad 10 mld lat. W opublikowanym właśnie badaniu astronomowie przedstawili wyniki analizy sygnału i jego odległej galaktyki macierzystej. Pomiar przesunięcia ku czerwieni wyniósł z = 2,148. Oznacza to, że rozbłysk powstał zaledwie około 3 mld lat po Wielkim Wybuchu.

Wykrycie impulsu było tak naprawdę dopiero początkiem. Astronomowie musieli jeszcze dowiedzieć się, skąd dokładnie pochodził. Obserwacje radiowe pozwoliły stosunkowo precyzyjnie wskazać fragment nieba, ale poszukiwania galaktyki macierzystej okazały się znacznie trudniejsze. Nawet duże teleskopy naziemne nie były w stanie dostrzec obiektu w miejscu, z którego nadszedł sygnał.

Badacze zdecydowali się więc wykorzystać Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba. Jego kamera NIRCam wykonała głębokie obserwacje w podczerwieni i ujawniła niewielką, niezwykle słabą galaktykę. Znajdowała się ona dokładnie tam, gdzie należało szukać źródła rozbłysku.

Następnie spektrograf NIRSpec pozwolił zmierzyć przesunięcie ku czerwieni na podstawie charakterystycznych linii emisyjnych wodoru i tlenu. Dzięki temu naukowcy uzyskali potwierdzenie, że obserwują obiekt z bardzo wczesnej epoki historii Wszechświata.

Warto przy tym pamiętać, że 10,6 mld lat oznacza przybliżony czas podróży promieniowania. Nie jest to dzisiejsza odległość galaktyki od Ziemi, ponieważ przestrzeń pomiędzy nami a źródłem sygnału przez miliardy lat nieustannie się rozszerzała.

Największa niespodzianka czekała jednak podczas badania samego źródła. Astronomowie spodziewali się rozbudowanej galaktyki zawierającej ogromną liczbę gwiazd, tymczasem odkryli obiekt karłowaty.

Jego masa gwiazdowa wynosi około 10 mln mas Słońca. To wyjątkowo niewiele w porównaniu z masywnymi galaktykami, w których wcześniej lokalizowano wiele szybkich rozbłysków radiowych. Według astronomów znaleziony obiekt okazał się nawet około 1000 razy mniej masywny, niż oczekiwali.

Mimo niewielkich rozmiarów galaktyka bardzo intensywnie tworzyła nowe gwiazdy. Tempo tego procesu oszacowano na około 0,2 masy Słońca rocznie, co w odniesieniu do jej małej masy jest wysoką wartością.

Zwraca uwagę również niski udział pierwiastków cięższych od helu. Wynosi on zaledwie około 10-20 proc. wartości charakterystycznej dla Słońca. To wskazówka, że obserwujemy środowisko, w którym kolejne pokolenia gwiazd nie zdążyły jeszcze wzbogacić gazu w dużą ilość cięższych pierwiastków. Dlaczego to ważne? Ponieważ właściwości galaktyki mogą powiedzieć coś o obiekcie, który wyemitował tajemniczy sygnał.

Szybkie rozbłyski radiowe, nazywane FRB, należą do najbardziej zagadkowych zjawisk astronomicznych. W ciągu milisekund uwalniają ogromne ilości energii w postaci fal radiowych, a większość z nich obserwujemy tylko raz.

Jednym z głównych podejrzanych są magnetary, czyli gwiazdy neutronowe wyposażone w niezwykle silne pola magnetyczne. Mogą powstawać po wybuchach supernowych, kiedy masywna gwiazda kończy życie i zapada się jej jądro. Związek pomiędzy magnetarami a szybkimi błyskami radiowymi bada się już od kilku lat, a jeden z przełomowych przypadków zarejestrowano nawet w naszej własnej Galaktyce.

Rekordowy FRB dostarcza kolejnej wskazówki. Jeżeli jego galaktyka intensywnie tworzy młode, masywne gwiazdy, może również stosunkowo często produkować młode magnetary. Taki scenariusz dobrze pasuje do środowiska, które astronomowie właśnie zaobserwowali.

Istnieją też inne hipotezy, m.in. związane ze zderzeniami starych gwiazd neutronowych. Jednak tak młoda i aktywna galaktyka przemawia raczej za mechanizmem, który nie wymaga miliardów lat oczekiwania od narodzin gwiazd do powstania rozbłysku. Nie jest to ostateczny dowód, że FRB 20240304B wyemitował magnetar. Pozwala jednak zawęzić listę możliwych wyjaśnień.

Astronomów interesuje nie tylko to, co wywołało rozbłysk. Równie cenne są informacje zapisane w samym sygnale podczas jego wielomiliardowej podróży. Fale radiowe przechodzące przez rozproszony, zjonizowany gaz nie przemieszczają się w nim identycznie. Sygnały o niższych częstotliwościach docierają z niewielkim opóźnieniem względem tych o częstotliwościach wyższych.

Z tej różnicy można wywnioskować, ile swobodnych elektronów znajdowało się na drodze promieniowania. To pozwala badać materię, której niełatwo szukać zwykłymi teleskopami.

Właśnie dzięki szybkim rozbłyskom radiowym udało się wcześniej odnaleźć znaczną część brakującej materii barionowej Wszechświata. Nie chodzi o ciemną materię, lecz o zwykłe protony, neutrony i elektrony, które w ogromnym rozproszeniu wypełniają przestrzeń międzygalaktyczną.

FRB 20240304B pozwolił sięgnąć z takimi pomiarami do epoki obejmującej około 80 proc. historii Wszechświata. Jego promieniowanie przechodziło między innymi przez obszary związane z gromadą galaktyk w Pannie i innymi strukturami znajdującymi się po drodze.

Analiza sygnału dostarczyła również informacji o złożonym układzie pól magnetycznych w przemierzanej przez niego przestrzeni. To szczególnie cenne, ponieważ bez podobnych naturalnych źródeł promieniowania bardzo trudno byłoby badać tak rozległe obszary.

Odkrycie potwierdza, że szybkie rozbłyski radiowe występowały już w czasie, gdy tempo narodzin gwiazd w całym Wszechświecie należało do najwyższych w jego historii. Astronomowie określają tę epokę jako kosmiczne południe.

Dzięki MeerKAT i teleskopowi Webba udało się nie tylko wychwycić niezwykle odległy impuls, ale również zbadać galaktykę, która go wyemitowała. Wcześniej przy tak wielkich odległościach możliwości obserwacyjne były mocno ograniczone.

Przeczytaj także:

Kolejny krok należy do jeszcze czulszych radioteleskopów, przede wszystkim rozwijającego się obserwatorium SKA. Jego instrumenty mają wykrywać znacznie więcej krótkotrwałych zjawisk radiowych, w tym sygnały pochodzące z najwcześniejszych epok historii kosmosu.

Największą wartością rekordowego rozbłysku nie jest więc sam fakt, że leciał do nas przez 10,6 mld lat. Przez ten czas przeniósł informacje o ogromnych obszarach przestrzeni i o warunkach panujących w galaktyce, która istniała na długo przed powstaniem Słońca. Wystarczyło kilka milisekund promieniowania, żeby astronomowie mogli zajrzeć w niemal całą historię Wszechświata.

*Źródło grafiki wprowadzającej: NASA