Astronomowie nie muszą już wykrywać każdej galaktyki osobno. Mogą zmierzyć wspólny radiowy blask wodoru w ogromnej części kosmosu.
Astronomowie wyciągnęli z danych radioteleskopu MeerKAT sygnał, który leciał do nas około 4-5 mld lat. Nie pochodzi on jednak od jednej niezwykłej galaktyki ani pojedynczej chmury gazu. To wspólny, ekstremalnie słaby radiowy ślad neutralnego wodoru rozmieszczonego w ogromnej części kosmosu. Najważniejsze jest to, iż po raz pierwszy na takich odległościach udało się go wykryć bez pomocy optycznej mapy galaktyk. To otwiera drogę do zupełnie innego sposobu tworzenia trójwymiarowych map Wszechświata.
Każdy atom wodoru ma tak naprawdę własną radiową sygnaturę
Neutralny wodór potrafi emitować bardzo charakterystyczny sygnał o długości fali około 21 cm, odpowiadający częstotliwości około 1420 MHz. Powstaje on w wyniku niewielkiej zmiany ułożenia spinu protonu i elektronu w atomie wodoru.
Pojedynczy atom emituje ten sygnał niezwykle rzadko. Kosmos ma jednak jedną przewagę: wodoru jest w nim absurdalnie dużo. Sumując emisję ogromnej liczby atomów, astronomowie mogą wykrywać charakterystyczną linię radiową i na jej podstawie określać, gdzie znajduje się neutralny gaz.
Sam sygnał 21 cm nie jest dla astronomów nowością. Na Spider’s Web opisywaliśmy już rekordowo odległą detekcję wodoru, którego promieniowanie podróżowało do nas przez większą część historii Wszechświata. Nowe badanie jednak zamiast próbować dostrzec wodór w jednej konkretnej galaktyce, traktuje tysiące słabych, nierozdzielonych źródeł jak jeden wielki kosmiczny sygnał.
Nie szukają galaktyk. Mierzą całe morze wodoru
Metoda nosi nazwę hydrogen intensity mapping. Jej największa zaleta polega na tym, iż nie trzeba rozpoznawać i katalogować każdej galaktyki oddzielnie. Klasyczny przegląd kosmologiczny wygląda trochę jak sporządzanie mapy miasta poprzez zaznaczanie każdego budynku. Astronom znajduje galaktykę, mierzy jej przesunięcie ku czerwieni, określa odległość i powtarza tę procedurę miliony razy. Intensity mapping przypomina raczej fotografowanie całej nocnej aglomeracji i mierzenie, gdzie światła jest więcej, a gdzie mniej. Tracimy informacje o pojedynczej lampie, ale znacznie szybciej widzimy strukturę całego miasta.
W przypadku MeerKAT światłem miasta jest emisja neutralnego wodoru. Jej intensywność zmienia się w zależności od tego, ile materii znajduje się w danej części Wszechświata. W ten sposób można próbować odtworzyć wielkoskalową kosmiczną sieć: gigantyczne włókna, węzły i pustki, w których materia układała się pod wpływem grawitacji przez miliardy lat.
Zespół Sourabha Paula przeanalizował około 96 godz. obserwacji wykonanych przez MeerKAT. Astronomowie wykryli sygnał w dwóch przedziałach przesunięcia ku czerwieni: około z = 0,32 oraz z = 0,44. Odpowiada to epoce, z której promieniowanie podróżowało do Ziemi mniej więcej 4 i 5 mld lat. Wszechświat miał wtedy kilka miliardów lat mniej niż dzisiaj.
Co ważne, badacze nie stworzyli ostrego obrazu pokazującego pojedyncze chmury wodoru. Zmierzyli tzw. widmo mocy, czyli statystyczny opis tego, jak silnie rozkład wodoru zmienia się w zależności od badanej skali przestrzennej.
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 udało się wykryć na skalach liczonych w megaparsekach, a więc milionach lat świetlnych.
Wcześniej potrzebowali podpowiedzi z teleskopów optycznych
Wodór na tak dużych odległościach wykrywano już metodami intensity mapping, ale zwykle trzeba było zestawiać słabe obserwacje radiowe z gotową mapą galaktyk uzyskaną w świetle widzialnym.
Jeżeli w dwóch niezależnych zestawach danych zagęszczenia pojawiały się w tych samych miejscach, można było statystycznie potwierdzić, iż w radiowym szumie rzeczywiście ukrywa się kosmologiczny sygnał wodoru. Tym razem MeerKAT poradził sobie sam.
Zespół zastosował dwa oddzielne sposoby czyszczenia danych. W bardziej zachowawczej analizie uzyskano detekcje na poziomie 3,2 i 3,5 sigma. Bardziej agresywna metoda filtrowania podniosła istotność do 5,9 oraz ponad 9 sigma. Najważniejsze nie jest jednak bicie rekordu statystycznego. Obie metody zobaczyły zgodny sygnał, co pokazuje, iż radioastronomia zaczyna być wystarczająco precyzyjna, aby samodzielnie wykonywać takie pomiary.
Samo wykrycie wymagało ogromnej ostrożności, bo interesujący astronomów sygnał jest bardzo słaby. Przed nim znajdują się znacznie jaśniejsze źródła radiowe w naszej Galaktyce i poza nią. Do tego dochodzą transmisje produkowane przez człowieka, zakłócenia elektroniczne oraz niedoskonałości samego instrumentu.
Praca nie polegała wyłącznie na skierowaniu 64 anten MeerKAT w niebo. Ogromna część sukcesu to odpowiednie odfiltrowanie sygnałów, które nie pochodzą od poszukiwanego neutralnego wodoru, bez przypadkowego usunięcia razem z nimi samego sygnału kosmologicznego.
Co ciekawe, wykorzystane obserwacje powstały już w 2018 r., na samym początku naukowej działalności MeerKAT, i pierwotnie nie były zbierane z myślą o tym eksperymencie. W archiwach radioteleskopu mogą więc przez cały czas leżeć dane, których jeszcze w ten sposób nie przeanalizowano.
Wodór może pokazać niewidzialny szkielet kosmosu
Neutralny wodór jest szczególnie interesujący dlatego, iż jego rozmieszczenie nie jest losowe. Gaz trafia do galaktyk i ich otoczenia w strukturach tworzonych przez grawitację całej materii, również tej niewidzialnej.
Na Spider’s Web pokazywaliśmy niedawno, jak astronomowie próbują mapować kosmiczną sieć innymi metodami. Tam wykorzystywano światło galaktyk i gazu, aby odsłonić włókna tworzące wielkoskalową strukturę kosmosu. Linia 21 cm daje dodatkową warstwę informacji.
Jeżeli zmierzymy jej intensywność w wielu częściach nieba i przy różnych częstotliwościach, otrzymamy nie tylko 2-wymiarowy obraz. Rozszerzanie się Wszechświata przesuwa linię 21 cm ku coraz dłuższym falom, a wielkość tego przesunięcia mówi nam, z jak odległej epoki pochodzi sygnał. Częstotliwość staje się więc odpowiednikiem trzeciego wymiaru. W ten sposób radioastronomowie mogą budować ogromną przestrzenną mapę wodoru oraz pośrednio materii, która kształtuje jego rozmieszczenie.
*Źródło zdjęcia wprowadzającego: Wikimedia, SKAO
