Najranije galaksije u svemiru uglavnom su predaleke i pretamne da bi ih današnji teleskopi mogli vidjeti pojedinačno. Astronomi sa Sveučilišta Cornell zato razvijaju drukčiji pristup: ne traže svaku galaksiju zasebno, nego mjere zajednički trag golemog broja udaljenih galaksija na velikim područjima neba.
Prvi rezultati instrumenta TIME, objavljeni u časopisu The Astrophysical Journal, pokazuju da je sustav spreman za opservacije znatno slabijih i udaljenijih izvora. Test je obavljen na području Sagittariusa A, u središtu Mliječne staze, prije nego što se instrument usmjeri prema ciljevima iz ranog svemira.
Umjesto pojedinačnih galaksija, zajednički trag milijuna izvora
Klasični teleskopi najčešće promatraju svemir kroz pojedinačne objekte. Usmjeravaju se prema određenom području neba, izdvajaju galaksije, mjere njihovu svjetlost i iz tih podataka određuju njihove osobine. Takav pristup dobro funkcionira kada su objekti dovoljno svijetli ili jasno odvojeni od pozadine.
Kod najranijih galaksija to nije dovoljno. One su toliko udaljene da do nas stiže vrlo malo njihove svjetlosti, a mnoge se ne mogu izdvojiti kao zasebni objekti. Zbog toga TIME, punim nazivom Tomographic Ionized-carbon Mapping Experiment, ne pokušava promatrati svaku galaksiju zasebno. Instrument mjeri ukupni signal velikog broja galaksija odjednom.
Selina F. Yang, doktorandica fizike na Sveučilištu Cornell i prva autorica rada, usporedila je tu metodu s promatranjem udaljenog grada. S velike udaljenosti ne brojimo svaku uličnu svjetiljku. Mjerimo ukupnu svjetlost grada. TIME primjenjuje sličnu ideju na rani svemir.
Takav pristup astronomima omogućuje proučavanje galaksija koje su pojedinačno izvan dosega današnjih teleskopa, ali zajedno ostavljaju mjerljiv trag u svjetlosti koja stiže do nas.
Provjera u središtu Mliječne staze
Prve opservacije instrumentom TIME provedene su tijekom sezone 2021./2022. na 12-metarskom teleskopu Arizona Radio Observatory na Kitt Peaku. Istraživači nisu odmah krenuli prema najudaljenijim metama. Najprije su instrument usmjerili prema Sagittariusu A, području u središtu naše galaksije.
Takav izbor bio je tehnički važan. Sagittarius A bogat je signalima u frekvencijskim područjima koja TIME treba mjeriti. To je istraživačima omogućilo da provjere razlučivanje frekvencija, kalibraciju instrumenta i pouzdanost mjerenja prije rada na mnogo zahtjevnijim metama.
Dongwoo Chung, docent astronomije na Cornellu i suautor rada, objasnio je da znanstvenici moraju najprije dokazati kako mogu ispravno mjeriti molekularni plin u bliskom svemiru. Tek tada mogu pouzdano tumačiti signale iz galaksija čija je svjetlost prema Zemlji putovala milijardama godina.
U tom smislu Sagittarius A nije bio krajnji cilj, nego nužna provjera. Instrument je morao pokazati da može prepoznati poznate signale prije nego što se od njega očekuje da tumači daleke i slabije izvore.
Svjetlost kao kemijski zapis
Metoda koju TIME koristi naziva se mapiranje intenziteta spektralnih linija. Umjesto klasične slike neba, ona daje podatke o tome kako je određena vrsta zračenja raspoređena kroz prostor i vrijeme.
Atomi i molekule emitiraju svjetlost na prepoznatljivim frekvencijama. Ti se tragovi mogu čitati kao kemijski zapisi u spektru. Iako TIME prikuplja pomiješanu svjetlost iz velikog broja udaljenih galaksija, u toj se svjetlosti i dalje mogu izdvojiti karakteristični potpisi pojedinih tvari.
Yang ističe da se iz takvih spektralnih tragova može procijeniti koliko je određene molekule ili atoma prisutno i gdje su njihove koncentracije veće. To je važno za proučavanje ranog stvaranja zvijezda, jer su neki od tih signala povezani s područjima u kojima nastaju nove zvijezde.
TIME se zato ne koristi samo za traženje udaljenih galaksija. Njegov je cilj izmjeriti uvjete u kojima su se galaksije razvijale, stvarale zvijezde i gradile veliku strukturu svemira.
Dva razdoblja koja nose ključne tragove
Istraživači posebno traže dvije vrste signala. Emisije ioniziranog ugljika mogu pomoći u proučavanju epohe reionizacije, razdoblja u kojem su prve zvijezde i galaksije počele mijenjati plin između galaksija. Njihovo zračenje djelovalo je na okolni vodik i postupno pretvaralo rani svemir u prostor kroz koji se svjetlost mogla slobodnije širiti. To se događalo približno milijardu godina nakon Velikog praska.
Drugi važan trag dolazi od ugljikova monoksida. On pomaže u proučavanju kasnijeg razdoblja, nekoliko milijardi godina nakon Velikog praska, kada su galaksije u svemiru stvarale zvijezde osobito snažnim tempom.
Za Abigail Crites, docenticu fizike na Cornellu i glavnu istraživačicu projekta, TIME je rezultat desetljeća razvoja. Kada je počela raditi na mapiranju intenziteta spektralnih linija, ta je metoda još bila na rubu interesa kozmologije. Danas postaje sve važniji alat jer omogućuje proučavanje golemih populacija galaksija koje se ne mogu pratiti pojedinačno.
Nakon provjere na Sagittariusu A, istraživači su se vratili u Arizona Radio Observatory i usmjerili TIME prema metama za koje je instrument izgrađen. Među njima je i polje COSMOS, jedno od najistraživanijih područja neba, s galaksijama na različitim udaljenostima od Zemlje.
Ako se metoda pokaže dovoljno osjetljivom, TIME bi mogao pomoći astronomima da rani svemir ne promatraju samo kroz rijetke pojedinačne objekte, nego kroz zajednički kemijski i svjetlosni trag čitavih generacija galaksija.
Ivan je novinar i autor koji piše o znanosti, svemiru i povijesti. Gostuje kao stručni sugovornik na Science Discovery i History Channelu te piše za Večernji list. Osnivač je Kozmos.hr, prvog hrvatskog portala posvećenog popularizaciji znanosti.
Izvori i publikacija
TIME Commissioning Observations. I. Mapping Dust and Molecular Gas in the Sgr A Molecular Cloud Complex at the Galactic Center
Časopis / izvor: The Astrophysical Journal
