Radioteleskop v Jihoafrické republice zachytil mohutný signál z doby před miliardami let, který vypadá jako laserový výstřel ze vzdáleného koutu vesmíru. Vědci tento signál interpretovali jako gigamaser – mimořádně jasný rádiový zdroj vzniklý při srážce dvou galaxií.
Nejde o laser, ale o maser – princip je podobný, rozdíl spočívá v rozsahu vlnových délek. Zatímco laser vytváří uspořádaný svazek fotonů viditelného světla, maser tvoří fotony o frekvenci mikrovln. Když takový zdroj vyzařuje mimořádně silně, vědci používají označení gigamaser. Právě 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 5,8 miliardy let. Radioteleskop MeerKAT, pracující v Jihoafrické republice, zachytil velmi úzké frekvenční pásmo obrovské jasnosti. Než signál dorazil na Zemi, putoval kosmickým prostorem nepředstavitelně dlouho, slábl a svým způsobem se odrážel od zakřivené struktury časoprostoru.
Gigamaser ze systému HATLAS patří mezi nejextrémnější rádiové signály zaznamenané v tak velké vzdálenosti od Země. Vědci odhadují, že jeho jasnost odpovídala zhruba třem stům tisícům Sluncí. Je však třeba si uvědomit, že nejde o energii rozptýlenou po celém spektru záření, ale o koncentraci v mimořádně úzkém frekvenčním pásmu spojeném s určitými energetickými přechody molekul OH.
Srážka galaxií místo kosmického vysílače
Na rozdíl od fantastických hypotéz nejde o zprávu od mimozemské civilizace ani o umírající osamělou hvězdu. 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 srážky, která trvá mnoho milionů let, dochází ke kompresi a prudkému rozvíření obřích plynových oblaků. V tomto případě se miliony miliard molekul hydroxylového radikálu (OH), sestaveného z atomu kyslíku a atomu vodíku, dostaly do velmi specifických fyzikálních podmínek. Molekuly OH mohou přejít do stavu se zvýšenou energií, což se nazývá inverzí obsazení energetických hladin.
V takovém stavu se každá z nich chová jako mikrosklad energie. Stačí impuls a začne vyzařovat tuto energii ve formě rádiových fotonů. Když se v takovém oblaku objeví první foton, může vynutit emisi dalších fotonů ze sousedních molekul. Tímto způsobem krok za krokem vzniká lavinový efekt.
Chaotický plynový oblak se chová jako kosmický mikrovlnný laser – energie se soustřeďuje do úzkého svazku letícího jedním směrem. První molekula OH vyzáří foton na určité frekvenci, tento foton pobídne sousední molekuly k emisi identických fotonů a další molekuly dělají totéž, čímž zesilují signál jedním směrem.
Jak vzniká kosmický maser
Vzniká tak neobyčejně uspořádaný svazek, ve kterém se všechny vlny překrývají ve shodné fázi. Namísto toho, aby se navzájem rušily jako v chaotickém zdroji, se vzájemně zesilují. Právě to proměňuje plynový oblak v přirozený zesilovač mikrovln, tedy maser.
Každý typ molekuly má vlastní sadu povolených přechodů mezi energetickými hladinami, a tedy charakteristické frekvence, na nichž může emitovat nebo pohlcovat fotony. Pro hydroxylový radikál jsou to právě ty spektrální čáry viditelné v signálu maseru. Díky tomu se celý výkon nerozkládá na jiné vlnové délky a koncentrace energie způsobuje, že emise pronikne nad úroveň pozadí i z obrovské vzdálenosti.
Pro vědce pracující s radioteleskopem MeerKAT šlo jen o jemný záchvěv v kosmickém šumu, i když v místě vzniku jasnost maseru odpovídala stům tisícům hvězd podobných Slunci. Během miliard let signál slábl, zamotal se do spleti gravitačních a magnetických polí, ale zachoval si dostatek síly, aby dorazil k přístrojům na Zemi.
Vědci zjistili, že součástí tohoto jevu bylo i další zesílení. Signál během své cesty narazil na masivní galaxii, jejíž gravitace deformovala lokálně časoprostor. Fungovala jako obří čočka, která soustředila a zesílila procházející rádiové vlny.
Dvojí zesílení: kvantová fyzika a gravitační čočka
Taková gravitační čočka nevyžaduje žádné zařízení – stačí velká hmota. Z pohledu pozorovatele na Zemi připomíná efekt pozorování vzdálené lampy přes čočku: obraz se stává jasnější a někdy také zkreslený. K anténám MeerKATu tedy dorazil signál, který byl nejprve zesílen na kvantové úrovni a pak dodatečně podpořen geometrií vesmíru.
Bez tohoto dvojího zesílení by taková emise zůstala pro naše přístroje nedosažitelná. Vědci z Jihoafrické republiky spolupracující s výzkumníky z různých institucí dokázali díky přesnému měření charakteristických frekvencí potvdit původ signálu v systému HATLAS. To je imponující test možností současné radioastronomie.
Gigamasery hrají důležitou roli při studiu vzdálených oblastí vesmíru. Fungují jako pohodlné značky, díky nimž astronomové mohou sledovat místa intenzivních srážek a slučování galaxií, zkoumat rozložení a hustotu mezihvězdného plynu ve vzdálených epochách, přesněji měřit kosmické vzdálenosti pomocí přesných frekvencí molekulárních čar a ověřovat, jak se měnila hvězdotvorná aktivita v historii vesmíru.
K čemu vědcům slouží takové masery
Masery tedy plní funkci svého druhu majáků signalizujících oblasti, kde se děje něco energeticky intenzivního – i když samy jsou jen vedlejším efektem těchto procesů. Díky nim lze rekonstruovat průběh spektakulárních jevů, jako jsou srážky galaxií, bez nutnosti pozorovat je v reálném čase.
- sledování míst intenzivních srážek a slučování galaxií
- zkoumání rozložení a hustoty mezihvězdného plynu ve vzdálených epochách
- přesnější měření kosmických vzdáleností pomocí molekulárních spektrálních čar
- ověřování změn hvězdotvorné aktivity v historii vesmíru
- studium fyzikálních podmínek v oblastech s extrémní kompresí plynu
- testování modelů gravitačního čočkování na velkých vzdálenostech
I když se maser může zdát exotický, princip jeho fungování je velmi podobný tomu, který využívají běžné lasery v každodenní technice. V obou případech jde o vynucenou emisi záření, při níž fotony vzájemně pobízejí další atomy nebo molekuly k vyzáření identických fotonů. Rozdíl spočívá hlavně ve frekvenci a měřítku.
Laser v přehrávači disků, ukazovátku nebo medicíně využívá světlo blízké viditelnému spektru. Kosmický maser pracuje na mikrovinách a vzniká spontánně, bez jakéhokoli inženýrství, jako vedlejší produkt extrémních astrofyzikálních procesů. Pro techniku je to inspirace – myšlenky stojící za masery a lasery byly vyvíjeny paralelně a pozorování přirozených maserů ukazují, jak extrémně účinná může být příroda při uspořádávání a zesilování záření.
Gigamasery a budoucnost radioastronomie
Časem se MeerKAT stane součástí ještě většího projektu – sítě radioteleskopů známé jako Square Kilometre Array. Takové přístroje umožní zachytit ještě slabší signály a prohlédnout mnohem větší část oblohy s vysokým rozlišením. Čím více gigamaserů se podaří zaregistrovat, tím lépe vědci rekonstruují historii slučování galaxií, tempo vzniku hvězd a roli plynu v těchto procesech.
To zase ovlivňuje modely evoluce velkých kosmických struktur, od jednotlivých galaxií až po obrovské nadkupy. Pro osoby zajímající se o technologii sensorů, signálů či 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 ideální shoda fází mohou proměnit obyčejný plynový oblak v mohutný vysílač, viditelný z miliard světelných let. Výzkumníci z univerzit a observatoří po celém světě pokračují v analýze dat z MeerKATu a připravují se na budoucí pozorování, která mají odhalit další podobné objekty. Každý nový gigamaser přináší cenné informace o fyzikálních podmínkách v raném vesmíru a pomáhá upřesňovat kosmologické modely.
