Supermasywne czarne dziury, kosmiczne pola magnetyczne i algorytmy z udziałem Polaków. Właśnie powstała najdokładniejsza radiowa mapa nieba.
Wszechświat dostał właśnie nową, rekordowo szczegółową mapę. Tym razem nie w świetle widzialnym, ale w falach radiowych. Międzynarodowy zespół astronomów zdołał zarejestrować sygnały z 13,7 mln galaktyk, w tym tych napędzanych supermasywnymi czarnymi dziurami, a wśród autorów tego kosmicznego atlasu są badacze z kilku polskich instytucji. To jedno z tych osiągnięć, które redefiniują, jak naprawdę wygląda niebo nad naszymi głowami.
Wszechświat pod radiowym rentgenem
Jak czytamy na łamach Nauka w Polsce, nowy przegląd nieba oznaczony jako LoTSS-DR3 powstał dzięki sieci radioteleskopów LOFAR, pracującej na niskich częstotliwościach radiowych. To zakres, którego ludzkie oko w ogóle nie rejestruje, ale dla astrofizyków jest skarbnicą informacji o najbardziej energetycznych procesach we Wszechświecie.
Na tej mapie galaktyki nie świecą tak jak na zdjęciach z teleskopów optycznych. Zamiast spiral i mglistych plam widać rozległe, często zdeformowane struktury radiowe – ślady dżetów wyrzucanych z otoczenia supermasywnych czarnych dziur, burzliwego rodzenia się gwiazd i zderzeń galaktyk. To obraz kosmosu z perspektywy pola magnetycznego i promieniowania kosmicznego, a nie zwykłego światła.
LoTSS-DR3 obejmuje aż 13,7 mln aktywnych galaktyk. Każda z nich to osobny układ setek miliardów gwiazd, dysków gazu i ciemnej materii, ale w radiu widzimy przede wszystkim to, co najgłośniej krzyczy energetycznie: dżety, fale uderzeniowe, pozostałości po wybuchach supernowych. Dla astronomów to surowiec do badania ewolucji struktur kosmicznych od wczesnego Wszechświata po czasy współczesne.
Polacy w samym sercu radiowego superteleskopu
Na pierwszym planie komunikatów naukowych pojawiają się zwykle duże zagraniczne instytuty, ale w tym projekcie polski ślad jest wyjątkowo wyraźny. W pracach nad przeglądem LoTSS-DR3 uczestniczą zespoły z Uniwersytetu Jagiellońskiego, Narodowego Centrum Badań Jądrowych, Uniwersytetu Warmińsko-Mazurskiego, Centrum Fizyki Teoretycznej PAN oraz Uniwersytetu Mikołaja Kopernika.
Polscy badacze pomagają interpretować dane, analizować strukturę ośrodka międzygwiazdowego w galaktykach oraz rekonstruować konfigurację pól magnetycznych i rozkład relatywistycznych cząstek. Radiowe mapy LOFAR-a pozwalają np. badać, jak daleko poza widoczne dyski gwiazd sięgają ogonki magnetyczne galaktyk i gdzie kosmiczne promieniowanie ucieka w przestrzeń międzygalaktyczną.
Polska uczestniczy w projekcie także bardzo konkretną infrastrukturą. W sieci LOFAR pracują 3 stacje zlokalizowane w naszym kraju: w Borówcu koło Poznania, w Bałdach koło Olsztyna oraz w Łazach koło Bochni. To zestawy dziesiątek anten, które w połączeniu z pozostałymi stacjami w Europie działają jak jeden gigantyczny radioteleskop o rozpiętości prawie 2 tys. km. Im większa odległość między stacjami, tym ostrzejszy obraz nieba udaje się uzyskać.
Jak wyprostować sygnał zjonizowanego nieba?
Zrobienie takiej mapy nie polega na jednym długim naświetlaniu nieba, tylko na dekadzie żmudnej i dokładnej pracy. LOFAR zbierał dane przez około 13 tys. godzin, a każde pole nieba musiało zostać zrekonstruowane z wielu obserwacji. Problem w tym, iż Ziemia nie jest idealnym miejscem do takich pomiarów.
Fale radiowe na niskich częstotliwościach muszą przebić się przez jonosferę, czyli górną warstwę atmosfery, wypełnioną naładowanymi cząstkami. Działa ona niczym niestabilne szkło: raz zagina sygnał, innym razem go rozmywa. Aby obraz nieba był dobrze widoczny, zespół musiał opracować zupełnie nowe algorytmy korekcji tych zniekształceń.
Dopiero po latach projektowania, testów i optymalizacji udało się stworzyć procedury, które można stosować rutynowo. Algorytmy automatycznie rozpoznają wpływ jonosfery, poprawiają sygnał i składają go w ostre, szczegółowe obrazy. Z dużą rozdzielczością czasową można dzięki temu polować na źródła, które zmieniają się w czasie, np. gwiazdy oddziałujące ze swoimi planetami, błyski radiowe czy zmienne aktywne jądra galaktyk.
Rzadkie zjawiska i nowe łamigłówki kosmologii
Tak ogromny przegląd nieba to nie tylko zwykły katalog galaktyk. To przede wszystkim kopalnia bardzo nietypowych obiektów. W danych z LOFAR-a zespół identyfikuje już rzadkie, zmienne źródła radiowe, nowe pozostałości po supernowych, a także jedne z największych i najstarszych znanych radiogalaktyk, rozciągających się na miliony lat świetlnych.
Na mapach widać też ślady oddziaływań egzoplanet z ich gwiazdami – niezwykle słabe emisje radiowe, które mogą w przyszłości stać się jednym z narzędzi do badania magnetosfer odległych światów. Z punktu widzenia kosmologii szczególnie interesujące jest to, iż tak szczegółowe dane pozwalają śledzić, jak rozkłada się materia w przestrzeni kosmicznej i jak z czasem zmienia się struktura wielkoskalowa Wszechświata.
Każdy taki przegląd jest testem dla modeli opisujących powstawanie galaktyk, wzrost supermasywnych czarnych dziur i rolę pól magnetycznych w kształtowaniu kosmicznego krajobrazu. LoTSS-DR3 już teraz dostarcza materiału do setek osobnych analiz, a naukowcy traktują go raczej jako punkt startowy niż zamknięty projekt.
