W głębiach kosmosu, w odległości tak wielkiej, że światło potrzebowało ponad ośmiu miliardów lat, aby dotrzeć do naszych detektorów, astronomowie natrafili na zjawisko o niespotykanej dotąd skali. Zespół badawczy korzystający z radioteleskopu MeerKAT w RPA ogłosił odkrycie najdalszego znanego ludzkości megamasera hydroksylowego. Ten naturalny „kosmiczny laser” bije wszelkie rekordy jasności i odległości, otwierając przed radioastronomią zupełnie nowe możliwości badania ewolucji wszechświata w czasach, gdy miał on mniej niż połowę swojego obecnego wieku.
Zjawisko masera (skrót od Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation) jest bliskim krewnym znanego nam ze wskaźników czy czytników kodów kreskowych lasera. Różnica polega na tym, że masery operują w zakresie mikrofalowym, a nie świetle widzialnym. Megamasery hydroksylowe powstają w ekstremalnych warunkach, towarzyszących gwałtownym kolizjom całych galaktyk. Gdy dwie bogate w gaz galaktyki zderzają się, dochodzi do potężnej kompresji ośrodka międzygwiazdowego. Cząsteczki hydroksylu (OH) zostają wówczas pobudzone, co prowadzi do gwałtownego wzmocnienia emisji radiowej.
W przypadku nowo odkrytego obiektu, oznaczonego sygnaturą HATLAS J142935.3–002836, intensywność tego zjawiska jest tak ogromna, że naukowcy zdecydowali się użyć terminu gigamaser. Jest to swego rodzaju kosmiczna latarnia morska, której sygnał, mimo pokonania połowy obserwowalnego wszechświata, dotarł do Ziemi z zaskakującą mocą. Mechanizm fizyczny stojący za tą emisją operuje na fali o długości około 18 centymetrów, co czyni go kluczowym celem dla najbardziej czułych radioteleskopów na świecie.
Einsteinowski wzmacniacz, czyli potęga soczewkowania grawitacyjnego
Choć sam gigamaser jest rekordowo jasny, jego wykrycie z tak dużej odległości było możliwe dzięki szczęśliwemu zbiegowi okoliczności, który przewidział już Albert Einstein w ogólnej teorii względności. Na drodze między odległym gigamaserem a Ziemią znajduje się inna, bliższa nam galaktyka. Jej ogromna masa zakrzywia czasoprzestrzeń wokół siebie, działając jak gigantyczna, naturalna soczewka powiększająca. To zjawisko, zwane silnym soczewkowaniem grawitacyjnym, zadziałało niczym kropla wody na szybie, skupiając i wzmacniając fale radiowe płynące z odległego obiektu.
Jak zauważa dr Thato Manamela, lider projektu badawczego z Uniwersytetu w Pretorii, system ten jest absolutnie wyjątkowy. Połączenie naturalnego wzmacniacza w postaci soczewki grawitacyjnej z technologiczną potęgą teleskopu MeerKAT pozwoliło na zajrzenie w głąb procesów formowania się gwiazd i wzrostu czarnych dziur w odległych epokach kosmicznych. Bez tego kosmicznego „szkła powiększającego” sygnał z HATLAS J142935.3–002836 mógłby pozostać nieuchwytny dla obecnej aparatury.
Technologia MeerKAT i wyzwania ery Big Data
Odkrycie to nie byłoby możliwe bez unikalnej konstrukcji radioteleskopu MeerKAT, zlokalizowanego w regionie Karoo w RPA. Instrument ten został zaprojektowany z myślą o wykrywaniu niezwykle słabych sygnałów radiowych w zakresie centymetrowym. Jednak, jak podkreślają autorzy publikacji przyjętej do druku w Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Letters, zbieranie danych to dopiero połowa sukcesu. Prawdziwym wyzwaniem jest ich obróbka.
Współczesna radioastronomia to nauka oparta na ogromnych zbiorach danych (Big Data). Astronomowie muszą kalibrować i analizować terabajty informacji przy użyciu zaawansowanych algorytmów i skalowalnych platform obliczeniowych. Sukces dr. Manameli jest dowodem na skuteczność synergii między nowoczesną infrastrukturą a wykwalifikowanym personelem wsparcia programistycznego z IDIA (Inter-University Institute for Data Intensive Astronomy). To właśnie te „potężne rurociągi danych” pozwalają wyłuskać cenne informacje z szumu kosmicznego.
Nowy rozdział w badaniu ewolucji wszechświata
Dlaczego odkrycie gigamasera jest tak istotne dla nauki? Te rzadkie zjawiska są doskonałymi wskaźnikami najbardziej energetycznych procesów we wszechświecie. Świadczą one o gwałtownych zderzeniach galaktyk, które są katalizatorami powstawania miliardów nowych gwiazd (tzw. starburst) oraz dostarczają „paliwa” dla supermasywnych czarnych dziur w centrach galaktyk. Badając masery, naukowcy mogą precyzyjnie mierzyć parametry fizyczne tych procesów w różnych epokach istnienia kosmosu.
Odkrycie rekordowego gigamasera to dopiero początek. Zespół z RPA już teraz planuje systematyczne przeglądy nieba, mając na celu odnalezienie setek, a nawet tysięcy podobnych systemów. Prace te są fundamentem pod nadchodzącą erę Square Kilometer Array (SKA) – największego radioteleskopu w historii, który zrewolucjonizuje nasze postrzeganie początków wszechświata. Sukces ten cementuje pozycję RPA jako światowego lidera w dziedzinie radioastronomii opartej na danych, udowadniając, że młodzi naukowcy z Afryki są w stanie prowadzić przełomowe badania na poziomie globalnym.
Źródło: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Letters