Południowoafrykański radioteleskop wychwycił niezwykle stary sygnał kosmiczny o rekordowej sile

Sygnał sprzed 8 miliardów lat dociera do Ziemi po kosmicznym objazdie

Gdzieś w głębinach wszechświata powstał sygnał radiowy, który potrzebował miliardów lat, żeby dotrzeć do naszej planety. Pochodzi z układu dwóch zderzających się galaktyk i był tak jasny oraz tak odległy, że astronomowie początkowo nie wierzyli własnym pomiarom. Dopiero rzadki splot kosmicznych okoliczności umożliwił teleskopowi MeerKAT w Południowej Afryce jego zarejestrowanie.

Źródło sygnału znajduje się w odległości ponad 8 miliardów lat świetlnych od Ziemi. Gdy sygnał był emitowany, wszechświat nie miał nawet połowy swojego obecnego wieku. Obiekt noszący techniczną nazwę HATLAS J142935.3-002836 to układ, w którym dwie galaktyki właśnie ze sobą kolidują.

Normalnie promieniowanie radiowe rozprasza się tak mocno na ogromnych kosmicznych dystansach, że na Ziemi praktycznie nic z niego nie zostaje. A jednak w kwietniu 2025 roku południowoafrykański teleskop MeerKAT zarejestrował zaskakująco wyraźny sygnał radiowy właśnie z tego kierunku.

Dzięki rzadkiemu, potrójnemu układowi w kosmosie pośrednia galaktyka zachowała się niczym gigantyczna kosmiczna soczewka powiększająca.

W połowie drogi między zderzającymi się galaktykami a Ziemią stoi inna, masywna galaktyka. Jej grawitacja zakrzywia otaczającą przestrzeń. Fale radiowe, które przelatują obok tego pola grawitacyjnego, ulegają odchyleniu i skupieniu. Zjawisko to znane jest jako soczewkowanie grawitacyjne.

To soczewkowanie wzmocniło oryginalny, słaby sygnał o ogromny współczynnik. Bez tej naturalnej kosmicznej „wzmacniarki" MeerKAT nie miałby żadnych szans na jego wykrycie.

Przypadkowe odkrycie o wielkiej wartości naukowej

Zespół pod kierownictwem astrofizyka Marcina Glowackiego z Uniwersytetu Pretorii przeanalizował dane z badania MeerKAT Absorption Line Survey. W tej górze danych wyjątkowy sygnał od razu rzucał się w oczy. Na podstawie jego siły i kształtu widma radiowego badacze zidentyfikowali rzadkie źródło — tak zwany hydroksylowy megamaser, a być może nawet reprezentanta całkowicie nowej klasy obiektów: „gigamasera".

To najdalszy i najpotężniejszy sygnał tego rodzaju, jaki kiedykolwiek zmierzono. Dla astronomów to wyjątkowa okazja do badania procesów, które normalnie można obserwować wyłącznie znacznie bliżej nas.

Co się dzieje, gdy dwie galaktyki gwałtownie zderzają się ze sobą

Promieniowanie radiowe pochodzi ze strefy gwałtownego zderzenia dwóch galaktyk. Podczas takiego kosmicznego krachu ogromne obłoki gazu uderzają w siebie czołowo. Gaz zostaje sprężony, rozgrzany i wymieszany w chaotycznym wirze.

W tym środowisku obecne są cząsteczki hydroksylu — połączenia tlenu i wodoru, oznaczanego jako OH. Pod wpływem zderzenia powstają ekstremalne ciśnienie i temperatury, które wprawiają cząsteczki OH w stan wzbudzony: gromadzą one ogromne ilości energii.

Kiedy cząsteczki tę energię oddają, czynią to w postaci fal radiowych. W panujących warunkach wiele cząsteczek zaczyna jednocześnie emitować na dokładnie tej samej długości fali, co potęguje sygnał w niewyobrażalnym stopniu. Proces ten przypomina działanie lasera, tyle że na częstotliwościach radiowych i w skali galaktycznej. Naukowcy określają to zjawisko mianem „masera", a gdy jest ono wyjątkowo potężne — „megamasera".

• Zwykły maser: stosunkowo słabe, naturalne źródło radiowe w kosmosie
• Megamaser: nawet miliony razy silniejszy, często spotykany przy zderzeniach galaktyk
• Gigamaser (zaproponowany): jeszcze potężniejsza kategoria, do której prawdopodobnie należy ten obiekt

Szacuje się, że zderzenie w układzie HATLAS J142935 generuje setki mas słonecznych w postaci nowych gwiazd każdego roku. Dla porównania — Droga Mleczna tworzy zaledwie jedną do dwóch mas słonecznych rocznie. Ta ekstremalna produkcja gwiazd nieustannie „zasila" cząsteczki OH, utrzymując maser w aktywnym i jasnym stanie.

Dlaczego ten sygnał jest tak wyjątkowy

Intensywność zmierzonego sygnału radiowego znacznie przekracza wartości znane z dotychczas opisanych hydroksylowych megamaserów. Glowacki i jego współpracownicy proponują zatem przypisanie tego obiektu do osobnej klasy. Termin „gigamaser" ma podkreślać jego rekordową moc.

Charakterystyczny, spiralny kształt widma radiowego pozwala badaczom wnioskować, z jaką prędkością gaz obraca się wokół strefy zderzenia i jak rozległe są turbulentne obszary. Dzięki temu mogą odtworzyć dynamikę jądra zderzających się galaktyk w czasie, gdy wszechświat był jeszcze w swojej „młodej dorosłości".

Każdy maser to rodzaj kosmicznej latarni morskiej, która wskazuje miejsca, gdzie gaz się zagęszcza i w zawrotnym tempie rodzą się nowe gwiazdy.

MeerKAT jako zapowiedź megateleskopu SKA

MeerKAT składa się z 64 anten satelitarnych rozsianych po suchym regionie Karoo w Południowej Afryce. Teleskop zaprojektowano z myślą o wychwytywaniu niezwykle słabych sygnałów radiowych, zwłaszcza z południowej części nieba.

Instrument ten jest traktowany jako bezpośredni poprzednik projektu Square Kilometre Array (SKA) — międzynarodowego przedsięwzięcia, które połączy tysiące anten rozmieszczonych w Południowej Afryce i Australii. Łączna efektywna powierzchnia zbierająca tych anten wyniesie niemal jeden kilometr kwadratowy.

Ostatnie odkrycie dowodzi, że przyjęta strategia przynosi owoce: systematyczne obserwowanie obszarów, gdzie mogą działać soczewki grawitacyjne. Wielkie skupiska galaktyk funkcjonują niczym kosmiczne szkła powiększające, sprawiając, że odległe źródła wydają się wielokrotnie jaśniejsze.

Polowanie na tysiące ukrytych kosmicznych „laserów"

Astronomowie są przekonani, że wszechświat pełen jest podobnych maserów, lecz większość z nich pozostaje niewidoczna, bo ich sygnały są po prostu zbyt słabe. Jedynie tam, gdzie soczewka grawitacyjna jest precyzyjnie wyrównana, taki maser staje się dostrzegalny dla naszych radioteleskopów.

Oczekuje się, że MeerKAT, a w przyszłości SKA, będą w stanie wykryć tysiące tego rodzaju źródeł. Pozwoli to stworzyć obszerny katalog maserów z różnych epok kosmicznych. Taki zbiór danych rzuci światło na to, jak często galaktyki ze sobą zderzają, ile gazu przy tym uwalniają i jak bardzo przyspiesza wówczas formowanie się gwiazd.

Śledząc masery, astronomowie rekonstruują niejako historię miłosną galaktyk — każde zderzenie pozostawia wyraźny ślad w postaci charakterystycznego profilu radiowego.

Czego to odkrycie uczy nas o ewolucji wszechświata

Masery hydroksylowe zaznaczają miejsca, w których koncentruje się duże ilości gazu molekularnego. Ten gaz stanowi surowiec do formowania nowych gwiazd. Pomiary maserów w odległych galaktykach pokazują, jak gaz był rozmieszczony, gdy wszechświat był młodszy, oraz jak szybko te zasoby gazowe zamieniały się w gwiazdy.

Porównując masery na różnych odległościach, można zbudować swoisty harmonogram wydarzeń. Gęste obłoki we wczesnym wszechświecie wykazują inne sygnatury niż późniejsze zderzenia, w których duża część gazu jest już uwięziona w poprzednich generacjach gwiazd. To pomaga weryfikować teorie dotyczące powstawania galaktyk.

Dla osób nieznających się na astronomii kilka kluczowych pojęć warto wyjaśnić:

• Rok świetlny to dystans, jaki światło pokonuje w ciągu roku — około 9,5 biliona kilometrów.
• Soczewka grawitacyjna to nie fizyczny obiekt, lecz efekt zakrzywienia przestrzeni przez masę, powodujący ugięcie torów świetlnych.
• Maser to naturalna radiolatarnia, powstająca wtedy, gdy wiele cząsteczek jednocześnie emituje na tej samej częstotliwości.

Naukowcy ostrzegają jednocześnie przed rosnącym zagrożeniem: coraz większymi zakłóceniami radiowymi generowanymi przez sieci satelitarne i naziemną komunikację. Im czulsze stają się teleskopy, tym szybciej sygnały z naszego własnego otoczenia technologicznego psują precyzyjne pomiary. Ochrona „cichych" stref radiowych na Ziemi staje się zatem coraz poważniejszym wyzwaniem dla wszystkich, którzy chcą zagłębiać się dalej w radiowy obraz wszechświata.