Pierwsze pomiary małoskalowych zmarszczek gazu w przestrzeni międzygalaktycznej

Najbardziej wyjałowione obszary Wszechświata to odległe zakątki przestrzeni międzygalaktycznej. W tych ogromnych przestrzeniach między galaktykami  można znaleźć zaledwie jeden atom na metr sześcienny – rozproszoną mgłę wodoru w stanie gazowym pozostałego po Wielkim Wybuchu. W największych skalach materia ta układa się w rozległą sieć włóknistych struktur  (ang. cosmic web), w której poszczególne włókna rozciągają się na miliardy lat świetlnych i zawierają większość atomów istniejących we Wszechświecie.

Międzynarodowy zespół astronomów wykonał pierwsze w historii pomiary małoskalowych zmarszczek w tym pierwotnym wodorze, wykorzystując do tego rzadkie podwójne kwazary. Choć badane przez nich obszary kosmicznej sieci oddalone są od nas o prawie 11 miliardów lat świetlnych, możliwe było zmierzenie odchyleń ich struktury o rozmiarach 100 000 razy mniejszych – rzędu rozmiarów pojedynczej galaktyki. Wyniki badań opublikowane zostały w periodyku Science.

Gaz międzygalaktyczny jest na tyle rzadki, że sam z siebie nie emituje żadnego światła. Dlatego też astronomowie badają go pośrednio obserwując jak selektywnie pochłania promieniowanie pochodzące z odległych źródeł, w tym przypadku kwazarów. Kwazary stanowią krótką, wyjątkowo jasną fazę ewolucji galaktyk zasilaną przez materię opadającą na supermasywną czarną dziurę znajdującą się w centrum galaktyki. Niczym kosmiczne latarnie morskie są one odległymi punktami świetlnymi, które pozwalają astronomom badać międzygalaktyczne atomy wypełniające przestrzeń między Ziemią a danym kwazarem. Jednak z uwagi na fakt, że te bardzo jasne epizody ewolucji galaktyk trwają bardzo krótko,  to i same kwazary są wyjątkowo rzadkie i oddzielone są od siebie odległościami rzędu setek milionów lat świetlnych.

Aby badać kosmiczną sieć w dużo mniejszej skali, astronomowie postanowili wykorzystać korzystny kosmiczny zbieg okoliczności: zidentyfikowali wyjątkowo rzadką parę kwazarów i zmierzyli delikatne różnice w absorpcji midzygalaktycznych atomów na obu liniach widzenia.

Pary kwazarów są niczym igły w stogu siana – mówi Hennawi, profesor z Wydziału Fizyki UCSB. Hennawi jest pionierem stosowania algorytmów do „uczenia maszynowego” – obszaru badań nad sztuczną inteligencją – do wydajnego poszukiwania par kwazarów w olbrzymich ilościach danych  zbieranych w ramach cyfrowych przeglądów nieba. Aby je znaleźć przeczesaliśmy zdjęcia miliardów obiektów kosmicznych miliony razy słabszych niż to co możemy dostrzec gołym okiem.

Po zidentyfikowaniu, pary kwazarów obserwowane były za pomocą największych teleskopów naziemnych takich jak np. 10-metrowe teleskopy Kecka w Obserwatorium W.M.Kecka na szczycie Mauna Kea na Hawajach.

Jednym z największych wyzwań jest opracowanie matematycznych i statystycznych narzędzi do kwantyfikowania niewielkich różnic w pomiarach – mówi główny autor opracowania Alberto Rorai z Uniwersytetu w Cambridge.

Astronomowie porównali swoje pomiary z modelami stworzonymi na superkomputerach do symulacji powstawania struktur kosmicznych od Wielkiego Wybuchu do teraz. Na pojedynczym zwykłym laptopie wykonanie tych złożonych obliczeń wymagałoby co najmniej 1000 lat pracy, jednak współczesne superkomputery skracają ten czas do kilku tygodni.

Danymi wejściowymi w naszych symulacjach są prawa fizyki,  danymi wyjściowymi jest sztuczny wszechświat, który można bezpośrednio porównać z danymi astronomicznymi –  mówi współautor artykułu Jose Onorbe z Instytutu Maxa Plancka w Heidelbergu w Niemczech. Ogromnie się ucieszyłem gdy okazało się, że nowe pomiary zgadzają się z dobrze opisanym procesem formowania kosmicznych struktur.

Jednym z powodów, dla których te małoskalowe fluktuacje są tak interesujące, jest fakt, że zawierają one informacje o temperaturze gazu w kosmicznej sieci zaledwie kilka miliardów lat po Wielkim Wybuchu –  tłumaczy Hennawi.

Astronomowie uważają, że materia we Wszechświecie przeszła miliardy lat temu przemianę, która dramatycznie zmieniła jej temperaturę. Znana jako era rejonizacji, przemiana ta miała miejsce gdy ultrafioletowe promieniowanie wszystkich gwiazd i kwazarów we Wszechświecie stało się na tyle intensywne, że odarło atomy z elektronów w przestrzeni międzygalaktycznej. Jak i kiedy doszło do rejonizacji jest jednym z największych i wciąż otwartych pytań kosmologii, a nowe pomiary dostarczają nam istotnych wskazówek, które pozwolą nam rozwiązać zagadkę tego okresu kosmicznej historii.

Źródło: UCSB