Naukowcy złapali sygnał wodoru pędzący do nas od miliardów lat i chcą z niego zbudować mapę kosmosu

Naukowcy wydobyli z zapisów radioteleskopu MeerKAT niezwykle słaby sygnał, który podróżował w kosmosie od około 4 do 5 miliardów lat. Nie jest to jednak odczyt pochodzący z konkretnej, wyjątkowej galaktyki czy pojedynczej obłoku gazu, lecz zbiorowy, słabiutki ślad radiowy neutralnego wodoru rozproszonego na ogromnym obszarze wszechświata. Kluczowe jest to, że po raz pierwszy tego typu sygnał z tak wielkiej odległości udało się wyłowić bez wspierania się optycznym katalogiem galaktyk. To otwiera zupełnie nową ścieżkę budowania trójwymiarowych map kosmosu.

Każdy atom wodoru niesie własny radiowy podpis

Neutralny wodór generuje bardzo rozpoznawalną emisję o długości fali blisko 21 centymetrów, co odpowiada częstotliwości rzędu 1420 MHz. Ten sygnał rodzi się z drobnej zmiany wzajemnego ułożenia spinów protonu i elektronu wewnątrz atomu.

Pojedynczy atom wysyła taki impuls bardzo rzadko, ale kosmos ma jeden istotny atut - wodoru jest w nim po prostu ogromnie dużo. Zliczając emisję niewyobrażalnej liczby atomów naraz, astronomowie mogą wyłapać tę charakterystyczną linię radiową i na jej podstawie ustalić rozmieszczenie neutralnego gazu.

Sam sygnał o długości 21 cm nie jest niczym nowym w astronomii - Spider's Web opisywał już rekordową, bardzo odległą detekcję wodoru, którego promieniowanie wędrowało do nas przez znaczną część dziejów wszechświata. W tym nowym badaniu jednak naukowcy nie próbowali dostrzec wodoru w jednej, konkretnej galaktyce, lecz potraktowali tysiące słabych, niemożliwych do rozdzielenia źródeł jako jeden, wspólny kosmiczny sygnał.

Nie poszukują galaktyk, lecz mierzą cały ocean wodoru

Technika ta nosi nazwę hydrogen intensity mapping. Jej podstawowa przewaga polega na tym, że nie ma potrzeby identyfikowania i katalogowania poszczególnych galaktyk z osobna. Klasyczny przegląd kosmologiczny przypomina tworzenie planu miasta poprzez oznaczanie każdego budynku po kolei - astronom lokalizuje galaktykę, wyznacza jej przesunięcie ku czerwieni, wylicza odległość i powtarza tę czynność miliony razy. Intensity mapping działa inaczej - to jak zrobienie zdjęcia całej nocnej metropolii i sprawdzenie, gdzie świateł jest więcej, a gdzie mniej. Ginie informacja o jednej konkretnej lampie, ale znacznie prędzej wyłania się struktura całej aglomeracji.

W obserwacjach MeerKAT rolę światła miasta odgrywa emisja neutralnego wodoru. Jej natężenie zależy od tego, jak dużo materii zalega w danym fragmencie wszechświata. Dzięki temu badacze mogą próbować zrekonstruować wielkoskalową kosmiczną sieć - potężne włókna, węzły i puste obszary, w które materia ułożyła się pod działaniem grawitacji na przestrzeni miliardów lat.

Grupa kierowana przez Sourabha Paula przebadała około 96 godzin obserwacji zebranych przez MeerKAT. Sygnał wykryto w dwóch zakresach przesunięcia ku czerwieni: około z = 0,32 oraz z = 0,44. To odpowiada epoce, z której promieniowanie leciało do Ziemi odpowiednio około 4 i 5 miliardów lat - wszechświat był wówczas o kilka miliardów lat młodszy niż obecnie.

Warto zaznaczyć, że badacze nie uzyskali ostrego obrazu ukazującego poszczególne obłoki wodoru. Zamiast tego zmierzyli tzw. widmo mocy - statystyczny opis siły, z jaką rozkład wodoru zmienia się w zależności od skali przestrzennej, jaką się analizuje.

To trochę jak analiza zdjęcia bez pytania, gdzie znajduje się każdy pojedynczy punkt. Zamiast tego badamy, czy większe i mniejsze struktury pojawiają się tak często i z taką intensywnością, jak przewidują modele Wszechświata.

Sygnał zarejestrowano na skalach liczonych w megaparsekach, czyli milionach lat świetlnych.

Wcześniej niezbędna była podpowiedź z teleskopów optycznych

Wodór na podobnie wielkich odległościach był już wcześniej wykrywany metodami intensity mapping, jednak zwykle wymagało to porównania słabych danych radiowych z istniejącą już mapą galaktyk uzyskaną w świetle widzialnym.

Jeśli w dwóch niezależnych zbiorach danych zagęszczenia materii pojawiały się w tych samych miejscach, można było statystycznie potwierdzić, że w radiowym szumie faktycznie kryje się kosmologiczny sygnał wodoru. W tym przypadku MeerKAT poradził sobie bez takiego wsparcia.

Naukowcy zastosowali dwie odrębne metody czyszczenia danych. Bardziej ostrożna analiza dała detekcje na poziomie 3,2 oraz 3,5 sigma, natomiast bardziej agresywne filtrowanie zwiększyło istotność do 5,9 oraz ponad 9 sigma. Liczy się jednak nie sam wynik statystyczny, a fakt, że obie metody wykazały zgodny sygnał - to dowód, że radioastronomia zaczyna być na tyle dokładna, by prowadzić takie pomiary samodzielnie.

Samo wykrycie wymagało niezwykłej precyzji, ponieważ poszukiwany sygnał jest bardzo słaby. Przed nim, czyli po drodze do Ziemi, znajdują się dużo jaśniejsze źródła radiowe - zarówno w naszej Galaktyce, jak i poza nią. Do tego dołączają się transmisje wytwarzane przez ludzi, zakłócenia elektroniczne oraz niedokładności samego urządzenia.

Praca badaczy nie sprowadzała się jedynie do skierowania 64 anten MeerKAT w niebo. Znaczna część sukcesu to precyzyjne odfiltrowanie sygnałów niepochodzących od poszukiwanego neutralnego wodoru, przy jednoczesnym uniknięciu przypadkowego usunięcia razem z nimi samego kosmologicznego sygnału.

Co interesujące, dane wykorzystane w badaniu zebrano już w 2018 roku, na samym początku działalności naukowej MeerKAT, i wcale nie planowano ich pierwotnie do tego eksperymentu. Oznacza to, że w archiwach radioteleskopu mogą wciąż czekać dane, których jeszcze nie przeanalizowano tą metodą.

Wodór może odsłonić niewidzialny szkielet wszechświata

Neutralny wodór jest szczególnie interesujący, ponieważ jego rozmieszczenie nie jest przypadkowe. Gaz gromadzi się w galaktykach i wokół nich w strukturach ukształtowanych przez grawitację całej materii - także tej, która pozostaje niewidzialna.

Spider's Web opisywał niedawno, jak astronomowie próbują odwzorowywać kosmiczną sieć innymi metodami, wykorzystując światło galaktyk i gazu, by ukazać włókna budujące wielkoskalową strukturę wszechświata. Linia o długości 21 cm dodaje do tego obrazu kolejny poziom informacji.

Zmierzenie jej intensywności w wielu fragmentach nieba i przy różnych częstotliwościach daje coś więcej niż dwuwymiarowy obraz. Rozszerzanie się wszechświata przesuwa linię 21 cm w stronę coraz dłuższych fal, a wielkość tego przesunięcia zdradza, z jak dawnej epoki pochodzi sygnał. Częstotliwość staje się więc swego rodzaju trzecim wymiarem. Dzięki temu radioastronomowie mogą tworzyć rozległą, przestrzenną mapę wodoru, a pośrednio także materii, która determinuje jego rozmieszczenie.