Miedzynarodowy zespół astronomów przeanalizował 160 galaktyk z okresu Kosmicznego Południa, wykorzystując dane z najnowocześniejszych radioteleskopów. Odkrycia sugerują, że te młode galaktyki otaczały swoiste aureole wysokoenergetycznych cząstek, co może wyjaśniać niektóre zagadki dotyczące kształtowania się kosmicznych struktur.
Okres intensywnej aktywności
Kosmiczne Południe to epoka w dziejach Wszechświata rozpoczęta około 2 miliardów lat po Wielkim Wybuchu. W tym czasie galaktyki przeżywały prawdziwy rozkwit, tworząc gwiazdy w tempie 10 do 100 razy szybszym niż obecnie. Typowa galaktyka z tego okresu była setki razy masywniejsza od swoich wcześniejszych odpowiedników, a ciemna materia tworzyła szybko rosnące halo, często poprzez kolizje i łączenie się galaktyk. Właśnie wówczas powstała większość gwiazd i czarnych dziur, które znamy dziś.
Czytaj także: To najdłuższy odkryty dżet we wczesnym wszechświecie. Absolutny rekord
Podczas tej formacyjnej fazy, trwającej od około miliarda do czterech miliardów lat po narodzinach kosmosu, wykształciły się podstawowe cechy galaktyk. Wiele z nich rozwinęło dyski, choć brakowało im jeszcze charakterystycznych spiralnych ramion widocznych w bardziej dojrzałych obiektach.
Kluczowa rola czarnych dziur
W okresie Kosmicznego Południa w centrach galaktyk zaczęły się pojawiać supermasywne czarne dziury. Przejawiały one niezwykłą aktywność jako kwazary, świecąc miliardy razy jaśniej niż nasze Słońce. Co ciekawe, masa tych czarnych dziur rosła proporcjonalnie do masy galaktyk, co wskazuje na głębokie powiązanie między ewolucją gwiazd a centralnymi potworami.
Intrygującym zjawiskiem było tak zwane tłumienie procesów gwiazdotwórczych w masywnych galaktykach, prowadzące do powstawania galaktyk eliptycznych. Choć wiele wskazuje, że odpowiadała za to aktywność czarnych dziur, bezpośrednie dowody wciąż pozostają nieuchwytne – to obszar wymagający dalszych badań.
Wysokoenergetyczne promienie i pola magnetyczne
Najnowsze badania ujawniły, że indeks widmowy promieniowania synchrotronowego spłaszcza się wraz ze wzrostem przesunięcia ku czerwieni i tempa formowania gwiazd. W praktyce oznacza to emisję większej liczby wysokoenergetycznych elektronów w porównaniu z ich mniej energetycznymi odpowiednikami.
Podczas gdy obserwacje w świetle widzialnym utrudnia pył międzygwiezdny, fale radiowe dzięki dłuższym falom docierają do nas bez zakłóceń. To umożliwiło astronomom szczegółowe badanie właściwości odległych galaktyk. Wykorzystano dane z radioteleskopów MeerKAT, Very Large Array oraz Giant Meterwave Radio Telescope, po raz pierwszy porównując widma radiowe, natężenie pól magnetycznych i tempo formowania gwiazd w obiektach sprzed 9-12 miliardów lat.
Galaktyki z tamtej epoki charakteryzowały się silnie splątanymi i turbulentnymi polami magnetycznymi. Te dynamiczne pola pomagały cząstkom promieni kosmicznych osiągać wyższe energie, po czym były one rozpraszane i oddzielały się od pola magnetycznego. W efekcie galaktyki otaczały swoiste aureole wysokoenergetycznych promieni, co może tłumaczyć obserwowane zmiany w widmach radiowych.
Co ciekawe, korelacja między emisją w podczerwieni i zakresie radiowym pozostaje stała mimo zmian w rozkładzie energii widmowej, co również znajduje wytłumaczenie w obecności tych energetycznych halo.
Nadzieje związane z Square Kilometer Array
Nadchodzące obserwatorium Square Kilometer Array (SKA) umożliwi bardziej szczegółową analizę rozkładów energii w olbrzymich próbkach galaktyk. Budowane w Australii i Republice Południowej Afryki, będzie 50-krotnie czulsze niż jakikolwiek istniejący instrument radiowy i będzie skanować niebo z prędkością dziesięć tysięcy razy większą niż obecne urządzenia.
Budowę tego przełomowego projektu rozpoczęto 5 grudnia 2022 roku, a jego koszt szacuje się na około 3 miliardy dolarów australijskich. Planowane zakończenie prac przypada na 2030 rok, choć tak skomplikowane przedsięwzięcie może napotkać nieprzewidziane opóźnienia.
Przed twórcami SKA stoi gigantyczne wyzwanie technologiczne – przetwarzanie danych. System może generować nawet eksabajt surowych danych dziennie, które po kompresji zmniejszą się do około 10 petabajtów. To jedno z największych wyzwań obliczeniowych we współczesnej astronomii.
Czytaj także: Tę gromadę galaktyk otacza gigantyczne halo wysokoenergetycznych cząstek. To wrota do wczesnego wszechświata
SKA składać się będzie z dwóch głównych części: układu niskich częstotliwości w Australii oraz układu średnich częstotliwości w RPA. Radioteleskop MeerKAT z jego 64 antenami o średnicy 13,5 metra służy jako protoplasta tego ambitnego projektu.
Głównymi celami naukowymi SKA są badania nad ciemną materią i energią, rejonizacją Wszechświata, kosmicznym magnetyzmem oraz poszukiwania śladów życia pozaziemskiego. Instrument będzie na tyle czuły, że mógłby wykryć nawet bardzo słabe sztuczne sygnały radiowe z okolicznych układów planetarnych, jeśli takie istnieją.
Nowy rozdział w kosmologii
Odkrycia dotyczące wysokoenergetycznych promieni w młodych galaktykach otwierają nowy rozdział w rozumieniu ewolucji kosmosu. Potwierdzają też skuteczność obserwacji radiowych w badaniu procesów gwiazdotwórczych w odległych zakątkach Wszechświata. Gdy Square Kilometer Array rozpocznie działanie, astronomowie zyskają bezprecedensowe możliwości zaglądania w tajemnice młodego kosmosu. To ekscytująca perspektywa, choć jak zawsze w nauce, najciekawsze odkrycia mogą przynieść zupełnie nieoczekiwane rezultaty.