Sygnał mikrofalowy o niespotykanie dużej energii, który wyruszył w podróż, gdy Wszechświat miał zaledwie połowę dzisiejszego wieku, dotarł właśnie do odbiorników południowoafrykańskiego radioteleskopu MeerKAT. Zarejestrowana emisja pochodzi z układu galaktyk oznaczonego HATLAS J142935.3–002836, oddalonego o około osiem miliardów lat świetlnych, i należy do najsilniejszych tzw. kosmicznych laserów radiowych, jakie kiedykolwiek wykryto. Odkrycie, którym kierowali badacze z Uniwersytetu w Pretorii, otwiera nowe okno na procesy zachodzące podczas gwałtownych zderzeń galaktyk oraz na ewolucję materii międzygwiazdowej w odległej przeszłości kosmosu.

Rekordowy sygnał promieniowania mikrofalowego

MeerKAT, składający się z 64 anten o średnicy 13,5 m każda, został zaprojektowany do precyzyjnego mapowania słabego promieniowania radiowego. W przypadku J142935.3–002836 zarejestrował jednak sygnał tak silny, że klasyfikuje się on jako megamaser, a być może nawet jeden z rzadkich gigamaserów. Potwierdza to wyjątkową gęstość energii: ilość mocy emitowanej w paśmie mikrofal przewyższa sumaryczną moc Słońca we wszystkich długościach fal. Dla porównania, typowe masery w naszej Galaktyce są miliardy razy słabsze.

Intensywność emisji pozwala astronomom traktować ją jako kosmiczny punkt orientacyjny do szczegółowych badań odległej materii. Dzięki precyzyjnemu pomiarowi przesunięcia ku czerwieni ustalono, że światło wyruszyło z galaktyk, gdy Ziemia i Układ Słoneczny jeszcze nie istniały, a pierwsze kontynenty dopiero zaczynały kształtować się na młodej planecie-matce Układu Słonecznego – w tym czasie w kosmosie panowała era wzmożonej akrecji materii i częstych zderzeń galaktyk.

Czym są megamasery i gigamasery hydroksylowe?

Maser (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation) to naturalny odpowiednik lasera, w którym wzmacniane i koherentnie emitowane są fale radiowe, a nie świetlne. W przestrzeni międzygwiazdowej rolę „kryształu” pełnią zjonizowane, zagęszczone molekuły — w tym wypadku hydroksyl (OH). Kiedy fale radiowe o odpowiedniej częstotliwości wzbudzają cząsteczki, następuje lawinowe, synchroniczne uwalnianie energii, co daje niezwykle skupioną wiązkę promieniowania.

Jeżeli moc takiej emisji dorównuje 10⁶ – 10⁹ razy jasności zwyczajnego masera, obiekt nazywamy megamaserem; gdy jest jeszcze o rząd wielkości silniejszy, mówimy o gigamaserze. Ze względu na potężną luminancję są one wykrywalne w całym obserwowanym Wszechświecie, a ich analiza pozwala określać tempo formowania gwiazd, masę gazu molekularnego i geometrię galaktycznych dysków z precyzją, którą trudno osiągnąć innymi metodami.

Zderzenia galaktyk zapalnikiem kosmicznych laserów

Hydroksylowe megamasery powstają niemal wyłącznie w środowiskach intensywnych zderzeń galaktyk. W J142935.3–002836 dwie (a prawdopodobnie nawet trzy) galaktyki spiralne znajdują się w zaawansowanej fazie łączenia. Ogromne strumienie gazu są ściskane w falach uderzeniowych, co podnosi temperaturę i gęstość do wartości nieosiągalnych w spokojnych dyskach galaktycznych. Napędza to rozległe burze gwiazdotwórcze, a jednocześnie powoduje wzmacnianie emisji maserowej.

Obserwowanie takich układów to praktyczne laboratorium przyszłości Drogi Mlecznej. Za około pięć miliardów lat nasza Galaktyka wejdzie w kolizję z Andromedą. Choć większość gwiazd minie się bez zderzeń czołowych, gigantyczne obłoki wodoru i pyłu zostaną skompresowane, zapłoną nowe pokolenia gwiazd, a procesom tym mogą towarzyszyć megamasery podobne do dziś obserwowanego.

Soczewkowanie grawitacyjne: naturalny wzmacniacz sygnału

Do rejestracji rekordowej emisji przyczynił się również efekt soczewkowania grawitacyjnego. Galaktyka znajdująca się w jednej trzeciej drogi między Ziemią a J142935.3–002836 wygięła czasoprzestrzeń na tyle, że promieniowanie OH zostało skupione niczym w olbrzymim kosmicznym teleskopie. Wzrost natężenia umożliwił wychwycenie subtelnych szczegółów widma, takich jak podwójne linie rozdzielające komponenty gazu wirującego wokół galaktycznych jąder.

Soczewki grawitacyjne nie tylko wzmacniają sygnały z odległego Wszechświata, ale także rozszczepiają je na wiele obrazów. Analiza opóźnień czasowych między tymi obrazami daje niezależne od innych metod oszacowanie stałej Hubble’a, a tym samym tempa rozszerzania się kosmosu. Dzięki temu megamasery stają się przyrządem do badań zarówno mikrostruktury fizyki molekularnej, jak i makrostruktury kosmologii.