Tajemniczy sygnał z kosmosu zaskoczył astronomów obserwujących jeden z najlepiej poznanych fragmentów nieba. Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba wykrył niezwykłą emisję w podczerwieni w miejscu, gdzie wcześniejsze obserwacje nie ujawniły żadnej galaktyki ani innego obiektu. Co więcej, sygnał pojawił się dwukrotnie w odstępie 88 dni. Naukowcy rozważają kilka możliwych wyjaśnień, od bardzo odległej galaktyki po czarną dziurę rozrywającą gwiazdę. Żadne z nich nie pasuje jednak do wszystkich zgromadzonych danych.
Tajemniczy sygnał z kosmosu pojawił się w dobrze zbadanym miejscu
Wszechświat potrafi zaskakiwać nawet tam, gdzie astronomowie zaglądali już setki razy.
W południowym gwiazdozbiorze Pieca znajduje się niewielki fragment nieba, który od dziesięcioleci stanowi jeden z najważniejszych obszarów badań odległych galaktyk.
To właśnie tam Kosmiczny Teleskop Hubble’a przeprowadził słynne obserwacje znane jako Ultragłębokie Pole Hubble’a, czyli HUDF.
Hubble obserwował ten maleńki obszar przez ponad 270 godzin.
Powstał jeden z najbardziej szczegółowych obrazów odległego Wszechświata, na którym zidentyfikowano niemal 10 tysięcy galaktyk.
Niektóre z nich znajdują się tak daleko, że obserwujemy je w stanie sprzed miliardów lat.
Wydawać by się mogło, że tak dokładnie zbadany fragment kosmosu nie powinien skrywać większych niespodzianek.
Tymczasem Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba właśnie dostarczył kolejnej zagadki.
James Webb zobaczył coś, czego Hubble nie dostrzegł
Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba, czyli JWST, został wyposażony w instrumenty umożliwiające niezwykle czułe obserwacje promieniowania podczerwonego.
Dzięki temu może badać obiekty zbyt słabe lub zbyt odległe, aby dało się je łatwo zobaczyć za pomocą wcześniejszych teleskopów.
Nic więc dziwnego, że astronomowie skierowali go również na Ultragłębokie Pole Hubble’a.
Jednak podczas jednej z analiz pojawił się sygnał, którego nie dało się powiązać z żadnym znanym źródłem.
W określonym miejscu nieba wykryto wyraźną emisję promieniowania podczerwonego.
Problem polegał na tym, że wcześniejsze zdjęcia wykonane przez Hubble’a i JWST nie pokazywały tam żadnego obiektu.
Nie było widocznej galaktyki, gwiazdy ani innego oczywistego źródła światła.
Mimo to pomiary wskazywały, że coś mogło emitować promieniowanie.
Astronomowie wykorzystali teleskop w nietypowy sposób
Odkrycia dokonał zespół kierowany przez astrofizyka Masona Huberty’ego z University of Minnesota.
Badacze postanowili przetestować nieco inny sposób poszukiwania odległych obiektów.
Zazwyczaj astronomowie najpierw odnajdują galaktykę lub inne interesujące źródło na zdjęciach nieba.
Następnie kierują na nie spektrograf, który analizuje docierające światło.
Nowy eksperyment odwrócił tę kolejność.
Zamiast szukać widocznych obiektów, a dopiero później badać ich widma, naukowcy postanowili poszukiwać samych charakterystycznych sygnałów widmowych.
W ten sposób chcieli odnaleźć obiekty, których nie dało się wcześniej zobaczyć na zwykłych obrazach.
Czym jest spektroskopia i dlaczego jest tak ważna?
Światło docierające z odległych galaktyk zawiera znacznie więcej informacji, niż można dostrzec na zwykłym zdjęciu.
Astronomowie wykorzystują technikę nazywaną spektroskopią, która pozwala rozdzielić promieniowanie na poszczególne długości fal.
Można porównać to do działania pryzmatu rozszczepiającego białe światło na kolory tęczy.
W astronomii analiza widma umożliwia między innymi rozpoznawanie pierwiastków chemicznych znajdujących się w odległych obiektach.
Niektóre atomy pochłaniają promieniowanie o określonych długościach fal.
Powstają wtedy charakterystyczne linie absorpcyjne.
W innych warunkach atomy i cząsteczki emitują światło o konkretnych długościach fal, tworząc linie emisyjne.
To właśnie takich sygnałów poszukiwali naukowcy.
Instrument NIRSpec rozpoczął poszukiwania niewidocznych obiektów
Do eksperymentu wykorzystano NIRSpec, czyli spektrograf bliskiej podczerwieni znajdujący się na pokładzie teleskopu Jamesa Webba.
Instrument ten wyposażony jest w system niewielkich przesłon, które można indywidualnie otwierać i zamykać.
Zwykle pozwala to wybrać konkretne obiekty do obserwacji.
Huberty i jego współpracownicy zastosowali jednak odwrotne podejście.
Otworzyli niemal wszystkie przesłony, zamykając jedynie te, które odpowiadały położeniom znanych obiektów pierwszego planu.
Chodziło o ograniczenie zakłóceń powodowanych przez światło wcześniej zidentyfikowanych galaktyk.
Następnie naukowcy przeanalizowali promieniowanie docierające z pozostałych obszarów.
Zastosowana technika nosi nazwę MOCSS, czyli wieloobiektowej koronografii do spektroskopii bezszczelinowej.
Jej celem było wykrywanie słabych źródeł, które mogły umknąć tradycyjnym metodom obserwacji.
Obserwacje powtórzono po 88 dniach
Eksperyment przeprowadzono podczas dwóch okresów obserwacyjnych.
Pierwszy przypadł na sierpień 2023 roku, a drugi na listopad 2023 roku.
Pomiędzy nimi upłynęło 88 dni.
Co ważne, astronomowie obserwowali ten sam fragment nieba pod różnymi kątami.
Takie podejście miało pomóc odróżnić rzeczywiste sygnały astronomiczne od błędów instrumentalnych.
Jeżeli nietypowa emisja pojawia się tylko w jednym ustawieniu urządzenia, istnieje większe prawdopodobieństwo, że odpowiada za nią artefakt pomiarowy.
Gdy jednak pozostaje widoczna w niezależnych obserwacjach, sprawa staje się znacznie ciekawsza.
I właśnie tak stało się w tym przypadku.
Sześć wykrytych obiektów udało się wyjaśnić. Siódmy pozostał zagadką
Nowa metoda okazała się skuteczna.
Astronomowie znaleźli sześć źródeł spełniających rygorystyczne kryteria wykrywania, które udało się powiązać z odległymi galaktykami w Ultragłębokim Polu Hubble’a.
Ich obecność była zgodna z wcześniejszymi obserwacjami.
Jednak siódmy sygnał nie pasował do tego obrazu.
W danych pojawiła się pojedyncza, wyraźna linia emisyjna.
Jej długość fali wynosiła około 1,6 mikrometra.
Jest to zakres bliskiej podczerwieni, który sam w sobie nie jest niczym niezwykłym w obserwacjach astronomicznych.
Problem stanowiło to, czego naukowcy nie znaleźli.
W miejscu emisji nie było żadnego widocznego obiektu.
Nie wykryto również innych linii widmowych, które pozwoliłyby łatwo zidentyfikować źródło.
Tajemniczy sygnał z kosmosu wykryto w czterech zestawach danych
Naukowcy dokładnie sprawdzili, czy nietypowa linia mogła powstać wskutek błędu pomiarowego.
Wyniki przemawiają jednak przeciwko takiemu prostemu wyjaśnieniu.
Sygnał pojawił się we wszystkich czterech zestawach połączonych ekspozycji.
Był obecny podczas obu okresów obserwacyjnych.
Pozostawał też zgodny pomiędzy pomiarami wykonanymi przy różnych orientacjach instrumentu.
To istotne, ponieważ przypadkowe zakłócenia zwykle nie zachowują się tak konsekwentnie.
Badacze uznali więc, że wykrycie wymaga poważnego potraktowania.
Nie oznacza to jeszcze, że poznaliśmy jego źródło.
Pokazuje jednak, że nie można łatwo wyjaśnić go pojedynczym błędem aparatury.
Wcześniejsze obserwacje nie pokazały żadnego źródła
Jeszcze bardziej zagadkowy jest brak sygnału we wcześniejszych danych.
Naukowcy przeanalizowali między innymi zdjęcia wykonane w ramach programu JADES.
To jeden z ważnych projektów obserwacyjnych prowadzonych za pomocą teleskopu Jamesa Webba.
W październiku 2022 roku JWST obserwował interesujący badaczy obszar.
Jednak w miejscu późniejszego wykrycia nie dostrzeżono żadnego obiektu.
Według autorów nowego badania, gdyby źródło emitowało wtedy światło o podobnej jasności, powinno być widoczne na obrazach JADES.
To prowadzi do bardzo interesującej możliwości.
Być może sygnał pochodzi od obiektu, który zwykle jest zbyt słaby do wykrycia, ale w pewnym momencie gwałtownie zwiększył jasność.
Czy astronomowie zaobserwowali krótkotrwały rozbłysk?
Jedna z hipotez zakłada, że źródło nie emituje stale tak intensywnego promieniowania.
Mogło dojść do przejściowego zjawiska astronomicznego, które na pewien czas zwiększyło jego jasność.
W takim przypadku wcześniejsze obserwacje mogły nie wykryć niczego, ponieważ obiekt pozostawał wtedy zbyt słaby.
Późniejsze pomiary NIRSpec mogły natomiast uchwycić okres zwiększonej emisji.
Nie wiadomo jednak, jak długo taki stan mógł się utrzymywać.
Sygnał był obecny podczas obserwacji rozdzielonych 88 dniami, co pokazuje, że nie chodziło o pojedynczy impuls trwający ułamek sekundy.
Nie ma jednak wystarczających danych, aby dokładnie odtworzyć zmiany jego jasności w tym okresie.
Dlaczego pojedyncza linia widmowa jest tak trudna do wyjaśnienia?
Linie emisyjne działają jak charakterystyczne podpisy określonych procesów fizycznych.
Problem polega na tym, że obserwowana długość fali nie zawsze jest taka sama jak długość fali, z którą promieniowanie zostało wyemitowane.
Wszechświat nieustannie się rozszerza.
W trakcie podróży przez kosmos fale światła ulegają rozciągnięciu.
Zjawisko to określamy jako przesunięcie ku czerwieni.
Im dalej znajduje się źródło, tym większe może być przesunięcie obserwowanego widma.
Oznacza to, że linia wykryta przy długości około 1,6 mikrometra mogła początkowo odpowiadać zupełnie innej długości fali.
Bez informacji o odległości nie można więc jednoznacznie określić, jaki pierwiastek lub proces odpowiada za emisję.
Gdy astronomowie wykrywają kilka charakterystycznych linii, mogą porównać ich wzajemne położenie i ustalić przesunięcie ku czerwieni.
Tutaj mają jednak tylko jedną.
Pierwsza hipoteza: bardzo odległa galaktyka
Jednym z możliwych wyjaśnień jest istnienie galaktyki znajdującej się we wczesnym Wszechświecie.
Jej promieniowanie mogło zostać silnie przesunięte ku czerwieni podczas wielomiliardowej podróży do Ziemi.
W takim scenariuszu wykryta linia mogłaby pochodzić z procesu zachodzącego w młodej galaktyce.
Problem polega jednak na tym, że promieniowanie tego rodzaju mogłoby mieć trudności z przejściem przez neutralny wodór obecny we wczesnym Wszechświecie.
Dodatkowo źródło powinno prawdopodobnie pozostawić ślad podczas wcześniejszych obserwacji JADES.
Oba problemy utrudniają zaakceptowanie tego wyjaśnienia.
Nie można go jednak całkowicie wykluczyć.
Druga możliwość: słaba galaktyka znajdująca się bliżej
Astronomowie rozważają również scenariusz, w którym sygnał pochodzi z mniej odległej galaktyki.
Mogłaby być ona bardzo mała lub wyjątkowo słaba.
W takim przypadku nietypowa emisja mogłaby być jedynym elementem wystarczająco jasnym do wykrycia.
Jednak również tutaj pojawiają się trudności.
Galaktyka powinna najprawdopodobniej emitować także inne charakterystyczne linie widmowe.
Tymczasem naukowcy wykryli tylko jedną.
Pozostaje również problem wcześniejszych obserwacji, podczas których nie stwierdzono obecności źródła.
Trzecia hipoteza: wybuch supernowej
Kolejną możliwością jest eksplozja gwiazdy.
Supernowe należą do najbardziej energetycznych zjawisk astronomicznych.
Podczas takiego wydarzenia jasność obiektu może gwałtownie wzrosnąć.
To mogłoby tłumaczyć, dlaczego wcześniejsze obserwacje nie wykazały obecności źródła, a późniejsze ujawniły wyraźną emisję.
Jednak widma supernowych zwykle zawierają więcej charakterystycznych cech.
W tym przypadku badacze spodziewaliby się obecności dodatkowej linii emisyjnej.
Nie udało się jej jednak wykryć.
Dlatego supernowa również nie stanowi obecnie przekonującego wyjaśnienia.
Czwarta możliwość: czarna dziura rozrywająca gwiazdę
Jednym z najbardziej interesujących scenariuszy jest tak zwane zdarzenie rozerwania pływowego.
Może do niego dojść, gdy gwiazda znajdzie się zbyt blisko czarnej dziury.
Ogromne różnice sił grawitacyjnych działających na różne części gwiazdy mogą doprowadzić do jej rozerwania.
Część materii może następnie opaść w kierunku czarnej dziury.
Procesowi temu może towarzyszyć intensywna emisja promieniowania.
Według naukowców takie wydarzenie mogłoby w określonych warunkach wytworzyć silną linię emisyjną bez równie wyraźnego światła towarzyszącego.
To sprawia, że hipoteza jest interesująca.
Problem polega na braku dodatkowych danych, które mogłyby ją potwierdzić.
Na razie nie wiadomo więc, czy rzeczywiście obserwujemy ślad gwiazdy niszczonej przez czarną dziurę.
Czy sygnał pochodzi naprawdę z pustej przestrzeni?
Określenie „sygnał z pustej przestrzeni” jest efektowne, ale wymaga doprecyzowania.
Astronomowie nie wykazali, że promieniowanie powstało dosłownie z niczego.
Stwierdzili jedynie, że w miejscu wykrycia nie udało się zidentyfikować widocznego źródła.
Może tam znajdować się bardzo słaba galaktyka, której światło pozostaje poniżej możliwości dotychczasowych obserwacji.
Możliwe również, że źródło jest widoczne tylko podczas określonego etapu swojej aktywności.
Nie wiadomo także, jak daleko znajduje się obiekt odpowiedzialny za emisję.
Bez ustalenia przesunięcia ku czerwieni nie można określić jego odległości ani jednoznacznie zidentyfikować procesu fizycznego.
Właśnie dlatego odkrycie pozostaje zagadką.
Nowa metoda może odkrywać obiekty niewidoczne na zdjęciach
Niezależnie od tego, czym okaże się tajemnicza emisja, eksperyment przyniósł ważny rezultat.
Pokazał, że spektrograf NIRSpec można wykorzystać do poszukiwania źródeł bez wcześniejszego wskazywania ich położenia na obrazach.
Dotychczas spektroskopia często była kolejnym etapem badania już znanych obiektów.
Nowe podejście pozwala odwrócić tę procedurę.
Najpierw wykrywany jest charakterystyczny sygnał widmowy.
Dopiero później astronomowie próbują ustalić, jaki obiekt go wytworzył.
To może być szczególnie przydatne w badaniach bardzo odległych i słabych galaktyk.
Ich światło może być zbyt słabe, aby zostało łatwo zauważone na obrazie, ale określone linie emisyjne mogą nadal pozostawać wykrywalne.
Ultragłębokie Pole Hubble’a nadal skrywa niespodzianki
Wybór HUDF jako miejsca eksperymentu nie był przypadkowy.
To jeden z najlepiej poznanych fragmentów nieba.
Astronomowie dysponują ogromną liczbą wcześniejszych obserwacji, dzięki którym mogą porównywać nowe wyniki z istniejącymi danymi.
Właśnie dlatego wykrycie sygnału bez widocznego źródła jest tak interesujące.
Gdyby podobną linię znaleziono w słabo zbadanym obszarze, łatwiej byłoby założyć, że pochodzi ze zwykłej galaktyki, której nikt wcześniej dokładnie nie obserwował.
Tutaj sytuacja wygląda inaczej.
Naukowcy wiedzą, że w tym samym miejscu prowadzono już bardzo czułe obserwacje.
A jednak nie wykryto obiektu, który powinien odpowiadać późniejszej emisji.
Potrzebne są kolejne obserwacje teleskopem Jamesa Webba
Badacze podkreślają, że obecnie najważniejsze jest zebranie nowych danych.
Szczególnie pomocne byłyby głębsze obserwacje spektroskopowe.
Jeśli uda się wykryć kolejne linie emisyjne, astronomowie będą mogli spróbować ustalić przesunięcie ku czerwieni.
Pozwoliłoby to określić odległość źródła i zawęzić listę możliwych wyjaśnień.
Ważne będzie również sprawdzenie, czy nietypowa emisja nadal występuje.
Jeśli sygnał zniknął, może to wspierać scenariusz związany ze zjawiskiem przejściowym.
Jeżeli pozostaje widoczny, naukowcy otrzymają kolejną wskazówkę dotyczącą jego charakteru.
Na tym etapie nie można jednak przesądzić, jaki rezultat przyniosą następne obserwacje.
Tajemniczy sygnał z kosmosu pozostaje niewyjaśniony
Najnowsze odkrycie pokazuje, że nawet najdokładniej zbadane obszary nieba mogą kryć nieoczekiwane zjawiska.
Astronomowie wykryli pojedynczą linię emisyjną o długości fali około 1,6 mikrometra.
Sygnał pojawił się w obserwacjach wykonanych w sierpniu i listopadzie 2023 roku, rozdzielonych 88 dniami.
Był obecny w czterech zestawach danych i przy różnych orientacjach instrumentu.
Jednocześnie wcześniejsze zdjęcia teleskopów Hubble’a i Jamesa Webba nie ujawniły w tym miejscu żadnego obiektu.
Rozważane scenariusze obejmują odległą galaktykę, słabszy obiekt znajdujący się bliżej, supernową oraz gwiazdę rozrywaną przez czarną dziurę.
Żadna z tych hipotez nie wyjaśnia jednak wszystkich obserwacji.
Tajemniczy sygnał z kosmosu pozostaje więc jedną z nowych zagadek astronomicznych.
Nie wiemy jeszcze, co go wytworzyło ani jak daleko znajduje się jego źródło.
Wiemy natomiast, że nietypowy sposób wykorzystania spektrografu Jamesa Webba pozwolił dostrzec coś, czego nie ujawniły wcześniejsze badania.
A to może oznaczać, że w pozornie pustych fragmentach kosmosu nadal czekają na odkrycie obiekty i zjawiska, których nie potrafimy jeszcze rozpoznać.
Wyniki badań opublikowano w czasopiśmie The Astrophysical Journal .