Radioteleskop v Jižní Africe zachytil mohutný signál z doby před miliardami let, který vypadá jako laserový paprsek z vzdáleného koutu vesmíru.
Vědci interpretovali tento signál jako takzvaný gigamaser – mimořádně jasný rádiový zdroj vzniklý při srážce dvou galaxií. Jde o jeden z nejmocnějších jevů tohoto typu, jaký kdy pozemské přístroje zaregistrovaly.
Na první pohled bys mohl pomyslet na kosmický laser. Ve skutečnosti astronomové hovoří o maseru, tedy jevu velmi podobném, ale fungujícím v jiném rozsahu vln. Laser vytváří uspořádaný svazek fotonů viditelného světla, zatímco maser tvoří fotony o frekvenci mikrovln. Když takový zdroj září mimořádně intenzivně, výzkumníci používají označení gigamaser.
Nejde o laser, ale o maser – co vlastně zachytil MeerKAT
Přesně s takovým případem máme co do činění. Signál dorazil ze systému označeného jako HATLAS J142935.3–002836, vzdáleného od Země přibližně 8 miliard světelných let. To znamená, že pozorujeme jev, který nastal v době, kdy vesmír měl pouhých asi 5,8 miliardy let.
Radioteleskop MeerKAT pracující v Jihoafrické republice zachytil velmi úzké frekvenční pásmo, ale s obrovskou jasností. Než signál dorazil k Zemi, putoval kosmickým prostorem nepředstavitelně dlouhou dobu, slábl a odrážel se svým způsobem od zakřivené struktury časoprostoru deformované hmotou. Vědci z projektu MeerKAT považují tento gigamaser ze systému HATLAS za jeden z nejextrémnějších rádiových signálů zaznamenaných z tak velké vzdálenosti.
Kolize galaxií místo kosmického vysílače
Narozdíl od fantastických hypotéz nejde o vzkaz od cizí civilizace ani o osamocenou hvězdu v agónii. Analýza ukazuje na dramatickou událost mnohem většího měřítka – srážku dvou masivních galaxií v systému HATLAS. Obě byly silně nasyceny plynem, což se ukázalo jako klíčové.
Během takové kolize, která se roztahuje v čase na mnoho milionů let, dochází ke kompresi a prudkému rozvíření gigantických oblak plynu. V tomto případě miliony miliard molekul takzvaného hydroxylového radikálu, tvořeného atomem kyslíku a atomem vodíku, narazily na velmi specifické fyzikální podmínky. Výzkumníci z University of Cambridge a dalších institucí zkoumající tento jev potvrdili, že molekuly OH mohou přejít do stavu s vyšší energií.
Tento jev označovaný jako inverze obsazení energetických hladin způsobuje, že se každá z nich chová jako miniaturní zásobník energie. Stačí impuls a začne vyzařovat tuto energii ve formě rádiových fotonů. Když se první rádiový foton objeví v takovém oblaku, může vynutit emisi dalších fotonů ze sousedních molekul.
Jak vzniká kosmický maser
Postupně se tak vytváří efekt laviny, který fyzici podrobně popsali již v šedesátých letech minulého století. Princip je podobný jako u laseru používaného v běžné technice – první molekula OH vyzáří foton na určité frekvenci, tento foton pobudí sousední molekuly k emisi identických fotonů a další molekuly dělají totéž, čímž zesilují signál v jednom směru.
- první molekula OH vyzáří foton na určité frekvenci
- tento foton pobudí sousední molekuly k emisi identických fotonů
- další molekuly dělají totéž a zesilují signál v jednom směru
- všechny vlny se skládají ve shodné fázi
- místo aby se rušily jako v chaotickém zdroji, vzájemně se zesilují
- oblak plynu se mění v přirozený zesilovač mikrovln
- energie se soustřeďuje do úzkého svazku letícího jedním směrem
Vzniká tak mimořádně uspořádaný svazek, ve kterém se všechny vlny skládají ve shodné fázi. Místo aby se rušily navzájem jako v chaotickém zdroji, vzájemně se zesilují. To právě přeměňuje oblak plynu v přirozený zesilovač mikrovln, tedy maser. Chaotický oblak plynu se chová jako kosmický mikrovlnný laser s energií soustředěnou do úzkého paprsku.
Dvojité zesílení – kvantová fyzika a gravitační čočka
V případě systému HATLAS není samotná fyzika molekul vším. Signál během své cesty narazil na masivní galaxii, jejíž gravitace deformovala lokálně časoprostor. Působila jako obří čočka, soustřeďující a zesilující procházející rádiové vlny. Vědci z Jodrell Bank Observatory potvrdili, že tento efekt gravitační čočky významně přispěl k pozorovatelnosti jevu.
Takzvaná gravitační čočka nevyžaduje žádné technické vybavení – stačí velká hmota. Z pohledu pozorovatele na Zemi efekt připomína pozorování vzdálené lampy skrz čočku – obraz se stává jasnějším a někdy také zkreslený. K MeerKATu tak dorazil signál, který byl nejprve zesílen na kvantové úrovni a poté dodatečně posílen geometrií vesmíru.
Bez tohoto dvojitého zesílení by taková emise zůstala pro naše přístroje nedosažitelná. Astronomové z jihoafrického radioobservatoře spočítali, že kombinace maserového efektu a gravitačního čočkování zvýšila zřejmou jasnost signálu až stonásobně oproti tomu, co by bylo pozorovatelné bez přítomnosti mezilehlé galaxie.
Jas tří set tisíc Sluncí v jednom úzkém pásmu
Výzkumníci vypočítali, že gigamaser z HATLAS měl jas odpovídající přibližně 300 000 Sluncí. Musíš však pečlivě rozumět této hodnotě. Nejde o energii rozptýlenou po celém rozsahu záření, ale o její soustředění v mimořádně úzkém frekvenčním pásmu spojeném s určitými energetickými přechody molekul OH.
Každý typ molekuly má vlastní sadu povolených přechodů mezi energetickými hladinami, a tedy i charakteristické frekvence, na kterých může emitovat nebo pohlcovat fotony. Pro hydroxylový radikál jsou to právě ty linie viditelné v signálu maseru. Díky tomu se celý výkon nerozptyluje na jiné vlnové délky a koncentrace energie umožňuje, aby se emise prorazila nad pozadí i z obrovské vzdálenosti.
Pro MeerKAT to byl pouze jemný impuls v kosmickém šumu, přestože v místě vzniku se jas maseru rovnal stům tisícům hvězd podobných Slunci. Po miliardy let signál slábl, zamotával se v husté síti gravitačních a magnetických polí, ale uchoval si dostatek energie, aby dorazil k přístrojům na Zemi. Je to působivý test možností dnešní radioastronomie.
K čemu vědcům takové masery slouží
Gigamasery nejsou pouze kosmickou zajímavostí z kategorie úchvatných objevů. Plní roli pohodlných značek při výzkumu vzdálených oblastí vesmíru. Díky nim astronomové mohou sledovat místa intenzivních srážek a spojování galaxií, zkoumat rozmístění a hustotu mezihvězdného plynu ve vzdálených epochách, lépe měřit kosmické vzdálenosti pomocí přesných frekvencí molekulárních linií a ověřovat, jak se měnila aktivita hvězdotvorby v historii vesmíru.
- sledování míst intenzivních srážek galaxií
- zkoumání rozmístění mezihvězdného plynu ve vzdálených epochách
- měření kosmických vzdáleností pomocí molekulárních linií
- ověřování změn aktivity hvězdotvorby v historii vesmíru
- mapování distribuce hydroxylových radikálů
- studium dynamiky plynných oblaků při kolizích
Masery tedy plní funkci svého druhu majáků signalizujících oblasti, kde se odehrává něco energeticky intenzivního – přestože jsou samy pouze vedlejším efektem těchto procesů. Díky nim lze rekonstruovat průběh spektakulárních jevů, jako jsou srážky galaxií, bez potřeby pozorovat je v reálném čase. Výzkumníci z European Southern Observatory považují tyto nálezy za zásadní pro pochopení evoluce velkých kosmických struktur.
Co nám gigamasery říkají o budoucnosti radioastronomie
Časem se MeerKAT stane součástí ještě většího projektu – sítě radioteleskopů známé jako Square Kilometre Array. Takové přístroje umožní zachytávat ještě slabší signály a prohlížet mnohem větší část oblohy s vysokým rozlišením. Čím více gigamaserů se podaří zaregistrovat, tím lépe vědci zrekonstruují historii spojování galaxií, tempo vzniku hvězd a roli plynu v těchto procesech.
To má zase vliv na modely evoluce velkých kosmických struktur, od jednotlivých galaxií až po obrovské nadkupy. Pro lidi zajímající se o technologii senzorů, signálů nebo komunikace je takový případ zajímavou lekcí – vesmír přirozeným způsobem využívá principy, které se v laboratořích snažíme napodobit pomocí laserů, zesilovačů a frekvenčních filtrů.
Masery ukazují, jak úzké pásmo a dokonalá shoda fází mohou přeměnit obyčejný oblak plynu v mocný vysílač viditelný z miliard světelných let. Mohlo by tě napadnout, jak ještě jiné přirozené procesy ve vesmíru čekají na objevení a jaké technologické inspirace z nich budeme čerpat v příštích desetiletích.
