Signalai iš tolimiausių visatos kampelių: iš kur atsirado neįprastas signalas, kuris dešimt milijardų metų keliavo į Žemę?

Kai šis radijo pliūpsnis pradėjo savo kelionę, Žemės dar nebuvo. Nebuvo ir Saulės, aplink kurią šiandien sukasi mūsų planeta. Kažkur jaunoje Visatoje įvyko nepaprastai trumpas, galingas reiškinys, o jo paskleistos radijo bangos keliavo daugiau nei dešimt milijardų metų. Galiausiai jas užfiksavo Pietų Afrikoje veikiantis „MeerKAT“ radijo teleskopas.

Signalas, pavadintas FRB 20240304B, astronomams tapo galimybe pažvelgti į laikus, kai Visatai buvo maždaug trys milijardai metų. Tai tolimiausias iki šiol identifikuotas greitasis radijo pliūpsnis. Jo tyrimo rezultatai spalio 8 dieną paskelbti žurnale „Science“. Vis dėlto rekordas susijęs būtent su šios rūšies pliūpsniais – tai nėra seniausia apskritai astronomų stebėta spinduliuotė.

Šiame atradime labiausiai stebina laiko mastelis. Pliūpsnis truko vos akimirką, tačiau jo kelionė apėmė didžiąją Visatos istorijos dalį. Kol bangos sklido mūsų link, susiformavo Saulės sistema, atsirado Žemė, joje išsivystė gyvybė, o galiausiai – žmonės, sukūrę prietaisus tokiai trumpai kosminei akimirkai pastebėti.

Teleskopas užfiksavo pliūpsnį, tačiau jo vietoje galaktikos nesimatė

Radijo signalas Žemę pasiekė ir buvo užregistruotas 2024 metų kovo 4 dieną. Ši data atsispindi jo pavadinime. Vadinasi, dabar paskelbta naujiena pasakoja ne apie ką tik užfiksuotą impulsą, o apie vėlesnį tyrimą, padėjusį nustatyti jo kilmės galaktiką.

„MeerKAT“ duomenys leido tiksliai nurodyti vietą danguje, iš kurios atsklido pliūpsnis. Tačiau astronomams nukreipus galingus antžeminius teleskopus į tą vietą, galaktikos aptikti nepavyko. Tai nereiškė, kad signalas atsirado tuštumoje – jo šaltinį galėjo slėpti pernelyg menkas galaktikos švytėjimas.

Tuomet tyrėjai pasitelkė Jameso Webbo kosminį teleskopą. Jo infraraudonųjų spindulių kamera aptiko labai blankią galaktiką, o spektrografas padėjo išmatuoti jos šviesos raudonąjį poslinkį. Nustatyta reikšmė – 2,148 – parodė, kad stebima galaktika tokia, kokia ji buvo maždaug po trijų milijardų metų nuo Didžiojo sprogimo.

Čia slypi vienas įdomiausių astronomijos dalykų: tolimą objektą matome jo praeityje. Šis stebėjimas neparodo, kaip galaktika atrodo šiandien. Jis atskleidžia vaizdą, kurio šviesa mus pasiekė tik dabar, po neįsivaizduojamai ilgos kelionės.

Maža galaktika suteikė svarbią užuominą apie signalo šaltinį

Aptikta galaktika pasirodė esanti nedidelė, joje aktyviai formavosi žvaigždės, o sunkiųjų cheminių elementų buvo palyginti mažai. Astronomams tokios savybės svarbios, nes aplinka padeda vertinti, kokie objektai galėjo sukelti pliūpsnį.

Greitieji radijo pliūpsniai yra trumpi, itin galingi radijo spinduliuotės impulsai. Vieni šaltiniai užfiksuojami pakartotinai, kitų pliūpsnį astronomai pastebi tik kartą. Jų kilmės klausimas tebėra atviras, tačiau vieni svarbiausių galimų šaltinių – magnetarai.

Magnetaras yra neutroninė žvaigždė, turinti ypač stiprų magnetinį lauką. Tokia žvaigždės liekana gali susidaryti masyviai žvaigždei baigus gyvenimą supernovos sprogimu. Jauna, žvaigždes aktyviai kurianti galaktika dera su mintimi, kad šį pliūpsnį galėjo paskleisti jaunas magnetaras.

Kita svarstoma galimybė – neutroninių žvaigždžių susiliejimas. Tačiau porai tokių objektų priartėti ir susidurti paprastai reikia ilgo laiko. Dėl to tyrėjai šio konkretaus pliūpsnio atveju labiau palaiko jauno magnetaro paaiškinimą. Tai pagrįsta užuomina, tačiau pats pliūpsnį sukėlęs objektas dar nėra galutinai nustatytas.

Signalas pasakoja ir apie tai, ką sutiko pakeliui

Astronomams svarbu ne tik tai, kur pliūpsnis atsirado. Jo radijo bangos keliavo per galaktikas ir tarp jų esančią erdvę, kurioje yra labai retos jonizuotos dujos. Ši medžiaga veikia signalą: skirtingų dažnių bangos mus pasiekia nevienodu metu.

Iš šio skirtumo tyrėjai gali vertinti, kiek laisvųjų elektronų yra išilgai signalo kelio. Tačiau vien tokio matavimo nepakanka visiškai tiksliai nustatyti atstumą, nes prie signalo pokyčių prisideda skirtingos aplinkos – jo kilmės galaktika, tarpgalaktinė erdvė ir mūsų Paukščių Takas. Būtent todėl buvo taip svarbu surasti galaktiką ir išmatuoti jos raudonąjį poslinkį.

Galima įsivaizduoti, kad iki Žemės atsklidęs pliūpsnis išsaugojo kelionės pėdsakus. Tai nėra sąmoningai siunčiama žinutė, tačiau jo savybėse slypi informacija apie erdvę, kurią bangos kirto.

Šio tyrimo metu mokslininkai nustatė tarpinių kosminių struktūrų poveikį signalui, įskaitant Mergelės galaktikų spiečių. Taigi vienas trumpas pliūpsnis padėjo tirti ne vien jo kilmės vietą, bet ir medžiagą tarp tolimos galaktikos ir Žemės. Kalbama apie įprastą jonizuotą medžiagą, kurios dujas sunku tiesiogiai stebėti, o ne tiesioginį tamsiosios materijos aptikimą.

Kodėl viena kosminė akimirka tokia svarbi?

FRB 20240304B parodė, kad tokie pliūpsniai gali padėti tyrinėti daug ankstesnius Visatos laikotarpius, nei iki šiol buvo įprasta. Radijo teleskopas pagauna trumpą reiškinį ir nustato jo vietą, o kosminis teleskopas leidžia išnagrinėti galaktiką, kuri antžeminiams prietaisams gali būti pernelyg blanki.

Tyrėjai tikisi aptikti daugiau panašių tolimų šaltinių. Kiekvienas jų galėtų suteikti papildomų žinių apie žvaigždžių formavimąsi, galaktikų aplinką ir medžiagos pasiskirstymą Visatoje.

Kol kas šio atradimo istorijoje lieka ir aiškus atsakymas, ir paslaptis. Astronomai nustatė galaktiką, iš kurios atsklido signalas, bei laikotarpį, kuriam jis priklauso. Tačiau tikslus pliūpsnio sukėlėjas dar laukia patvirtinimo. Vos kelias milisekundes trukęs reiškinys pasiekė mus iš laikų, kai mūsų pasaulis dar nebuvo pradėjęs formuotis – ir tapo išmatuojamu senosios Visatos pėdsaku.