Dincolo de performanța tehnologică în sine, detectarea acestui semnal record de către radiotelescopul MeerKAT ne oferă o fereastră directă spre haosul cosmic din Universul timpuriu, confirmând că suntem capabili să captăm ecourile galaxiilor de mult dispărute.
Studiul a fost realizat de astronomii Thato Manamela, cercetător postdoctoral la Universitatea din Pretoria, și Roger Deane, director al Institutului Interuniversitar pentru Astronomie cu Intensitate de Date și profesor la universitățile din Cape Town și Pretoria.
O privire în universul timpuriu: de ce vedem galaxia ca pe un „copil”
Ceea ce face descoperirea extraordinară este distanța record la care a fost detectată: peste 8 miliarde de ani-lumină. Aceasta o plasează adânc în Universul timpuriu, ceea ce înseamnă că galaxia nu este observată așa cum există astăzi, ci așa cum era acum 8 miliarde de ani. Deoarece Big Bang-ul a avut loc acum aproximativ 13,8 miliarde de ani, cercetătorii privesc, de fapt, o versiune „copil” a Universului. În etapa în care semnalul maser a fost transmis de galaxia gazdă, galaxiile erau mult mai „haotice”, se ciocneau mai des și erau mult mai active decât galaxiile stabile și mature pe care le vedem astăzi în apropiere.
Observația oferă o privire rară asupra interacțiunilor dintre galaxii și a mediilor extreme de formare a stelelor, dintr-o vreme în care cosmosul avea mai puțin de jumătate din vârsta sa actuală. Lumina poate fi comparată cu o scrisoare trimisă prin poștă: dacă un prieten trimite o scrisoare din străinătate, până când o citești, știrile sunt deja vechi. În spațiu, lumina este acea scrisoare, iar „știrile” din această galaxie au avut nevoie de 8 miliarde de ani pentru a ajunge la noi. Galaxia este văzută ca un „copil mic”, chiar dacă, în timpul ei, a crescut deja sau s-a schimbat.
Ce este un megamaser și cum funcționează acest laser spațial?
Megamaserul detectat funcționează la o putere de milioane de ori mai mare decât un maser galactic obișnuit. Atât megamaserii, cât și gigamaserii sunt lasere radio cosmice. În timp ce un megamaser este de 1 milion de ori mai luminos decât un maser standard găsit în universul local, un gigamaser este de 1 miliard de ori mai luminos, ceea ce îl face de 1.000 de ori mai puternic decât un megamaser.
O detectare neașteptat de rapidă
În doar 5 ore de observare, echipa a găsit un semnal care, de obicei, necesită sute de ore, având în vedere distanța și raritatea sa. Lentilele gravitaționale au amplificat însă semnalul suficient pentru a-l face detectabil. În plus, deși cercetătorii țineau hidrogenul neutru, lățimea de bandă largă a MeerKAT a permis descoperirea surprinzătoare a semnalului megamaserului în aceleași date.
Fenomenul de lentilă gravitațională se produce pe baza Teoriei Relativității a lui Albert Einstein, atunci când gravitația unei mase uriașe din prim-plan curbează și amplifică lumina provenită de la o sursă mult mai îndepărtată din fundal, acționând ca o lupă cosmică.
Această detectare rapidă sugerează că viitoarele studii cu MeerKAT și viitorul Observator SKA ar putea descoperi mult mai multe astfel de obiecte îndepărtate și extreme. Capacitatea instrumentului de a găsi semnalul atât de repede dovedește că tehnologia necesară pentru a vedea semnale slabe din trecutul foarte îndepărtat este, în sfârșit, disponibilă. Este o previzualizare a ceea ce ar putea realiza viitorul Square Kilometre Array (SKA), un mega-proiect internațional unic, de neegalat.
O instalație de nouă generație, extrem de complementară, numită Very Large Array de nouă generație (ngVLA), este în curs de planificare și proiectare pentru a fi construită în SUA. Observatorul SKA (SKA-Low și SKA-Mid) se concentrează pe frecvențe radio joase și medii, în timp ce ngVLA va funcționa la frecvențe mult mai înalte. Împreună, ele vor forma doi dintre pilonii principali ai radioastronomiei globale de nouă generație. Descoperirea oferă astronomilor o nouă modalitate de a studia modul în care au evoluat galaxiile în universul timpuriu.
Tehnologiile care au făcut posibilă descoperirea
Descoperirea a fost posibilă datorită sensibilității și acoperirii largi de frecvențe a radiotelescopului MeerKAT. Capacitatea sa de a detecta semnale slabe pe o gamă largă de frecvențe permite căutarea liniilor spectrale în volume cosmice mari. O linie spectrală este o amprentă chimică cosmică: fiecare atom sau moleculă emite unde electromagnetice la frecvențe specifice, iar detectarea acestor frecvențe le indică astronomilor din ce este compus gazul.
În acest caz, lățimea de bandă largă a MeerKAT a permis detectarea atât a liniei de hidroxil, cât și a absorbției hidrogenului neutru într-o singură observație. Anterior, cu tehnologia mai veche, ar fi fost nevoie de două observații separate.
La fel de importante sunt progresele în procesarea datelor și calcul. Datele au fost procesate folosind resurse de calcul de înaltă performanță la Institutul Interuniversitar pentru Astronomie cu Intensitate Mare de Date (IDIA). Prelucrarea unor cantități atât de mari de date seamănă cu încercarea de a bea dintr-un furtun de incendiu. MeerKAT colectează gigabiți de informații în fiecare secundă, rezultând fișiere mult prea mari pentru a fi gestionate de un computer standard. Pentru a găsi un semnal de acum 8 miliarde de ani, de milioane de ori mai slab decât semnalul unui telefon mobil, sunt necesare procese de calibrare robuste. Acestea acționează ca o spălătorie auto automatizată de înaltă tehnologie, eliminând zgomotul digital și ascuțind focalizarea telescopului. Acest proces de „curățare” necesită trilioane de calcule matematice, impunând utilizarea supercomputerelor care funcționează zile întregi pentru a transforma interferențele radio brute într-o descoperire științifică clară.
Lentilele gravitaționale au jucat, de asemenea, un rol cheie. Un obiect masiv din prim-plan, cum ar fi o stea sau o galaxie, a amplificat semnalul provenit de la galaxia îndepărtată, acționând efectiv ca un telescop natural și sporind capacitatea de detecție.
O fereastră către fuziunile de galaxii și găurile negre supermasive
Dacă vă întrebaţi ce importanță practică are captarea unui semnal de acum 8 miliarde de ani, răspunsul este legat de propria noastră soartă cosmică. Noi trăim astăzi într-o galaxie matură și relativ liniștită, dar știm că, la un moment dat, Calea Lactee se va ciocni violent cu galaxia vecină, Andromeda. Prin urmare, acest megamaser nu este doar o curiozitate astronomică. El acționează ca un „film” din trecut care ne arată în timp real cum se nasc, cum fuzionează și cum mor structurile colosale din Univers. Pentru prima dată, instrumentele noastre au devenit suficient de sensibile încât să nu mai ghicim aceste fenomene din simulări pe calculator, ci să le „auzim” direct de la sursă.
Este rar ca un singur sistem astrofizic — o colecție de obiecte celeste, în acest caz două galaxii care formează un sistem de lentile — să poată schimba înțelegerea noastră asupra Universului. De obicei, sunt necesare eșantioane mari pentru a face acest lucru. Dar combinația dintre distanța record și viteza descoperirii a fost impresionantă.
Aceasta sugerează că cercetările sistematice — precum cele efectuate prin studiile aprofundate MeerKAT — ar putea transforma aceste descoperiri, odată rare, în instrumente puternice de explorare a formării stelare extreme, dar extrem de ascunse, din Universul îndepărtat. Ca urmare a acestei observații, Observatorul SKA și alte telescoape viitoare nu vor căuta doar mai multe obiecte similare, ci vor căuta istoria ascunsă.
Megamaserii de hidroxil sunt de obicei asociați cu fuziunile de galaxii, iar unele dintre aceste fuziuni se așteaptă să găzduiască perechi de găuri negre supermasive. Aproape fiecare galaxie mare are o gaură neagră supermasivă în centrul său. Când galaxiile fuzionează, găurile negre supermasive din centrele lor pot ajunge să se apropie una de cealaltă în spirală, producând unde gravitaționale — unduiri în spațiu-timp. Găsirea unor sisteme de acest fel îi ajută pe astronomi să studieze o etapă importantă în evoluția galaxiilor și mediile în care au loc aceste evenimente extreme.
Folosind megamaserii pentru a găsi aceste perechi, cercetătorii pot studia etapele finale ale modului în care se formează cele mai mari obiecte din Univers. Este o etapă importantă în viața unei galaxii: prin găsirea acestor galaxii acum, ele sunt surprinse într-o etapă evolutivă cheie — numărătoarea inversă finală înainte ca ele să se ciocnească și să elibereze o explozie masivă de energie pe care următoarea generație de detectoare o va putea „auzi”.
Puterea semnalului de hidroxil detectat de MeerKAT după o perioadă de observare atât de scurtă implică, prin urmare, că astronomii vor putea detecta un număr mare de astfel de sisteme pe parcursul majorității timpului cosmic. Astfel, captarea celui mai îndepărtat megamaser nu este doar un eveniment izolat, ci o repetiție generală pentru noile generații de observatoare globale, care vor decoda definitiv istoria coliziunilor galactice.
Megastructuri extraterestre în jurul găurilor negre: ideea îndrăzneață discutată de specialiști la MIT
O nouă teorie despre materia întunecată ar putea rezolva mai multe mistere cosmice deodată
Oamenii de știință au identificat meteoritul rar care a provocat dispariția dinozaurilor, în urmă cu 66 de milioane de ani
Atmosferă incredibilă, descoperită pe o exoplanetă stâncoasă din zona locuibilă, aflată la doar 49 de ani-lumină de noi
În 1993, Rusia a construit o oglindă gigantică în spațiu ca să transforme noaptea în zi — iar acum s-ar putea să o luăm de la capăt
