Czy ta kosmiczna zagadka wskazuje na istnienie obcych?

Milion gwiazd z głowy, zostało jeszcze 199,99 miliardów. Nowy, wielki przegląd nieba, dokonany przez poszukujących obcych cywilizacji astronomów programu SETI, nie przyniósł nam pierwszego kontaktu. Ale poszukiwania dopiero się rozkręcają, a przy ich okazji astronomowie wyjaśniają różne kosmiczne zagadki.

Astronomowie i poszukiwacze obcych cywilizacji

Astronomowie mają pewien problem, którego w zasadzie można im pozazdrościć. Mają zbyt wiele danych. Teleskopy, radioteleskopy, kosmiczne obserwatoria, detektory neutrin i fal grawitacyjnych – wszystkie produkują tak ogromne kartoteki sygnałów napływających do nas z kosmosu, że przekopanie się przez nie wszystkie, znalezienie najciekawszych obserwacji i powiązanie ich z innymi to tytaniczna praca. Dla pojedynczego astronoma – jak próba samodzielnego przekopania się przez zawartość Biblioteki Jagiellońskiej.

Oczywiście pomagają coraz bardziej złożone systemy do analizy danych, ale wciąż zbyt często ulotne, kosmiczne zjawiska zostają wypatrzone w danych poniewczasie, gdy już dawno przeszły w mroki historii. Zwłaszcza że niektóre z najciekawszych trwają milisekundy.

Poszukiwacze obcych cywilizacji, działający w ramach projektu SETI, postanowili coś z tym zrobić. Projekt COSMIC ma pozwalać na żywo filtrować sygnały przechwytywane przez jedno z największych urządzeń światowej astronomii – liczący dwadzieścia osiem 25-metrowych czasz radioteleskop VLA (znany np. z filmu „Kontakt”). I w czasie rzeczywistym alarmować o interesujących transmisjach. Dzięki temu można natychmiast reagować na potencjalne odkrycia.

Celem jest wyłapywanie w kosmicznym szumie tzw. technosygnatur. Sygnałów, które mają stanowić ślad wykorzystywania przez inną cywilizację zaawansowanych technologii.

Mamy już nawet pierwszy sukces. Zespół COSMIC był w stanie zidentyfikować sygnał bez wątpliwości pochodzący z technologicznego źródła położonego o 24 mld kilometrów od nas. Ale szampan jeszcze poczeka w lodówce. Źródłem był wystrzelony w 1977 r. Voyager 1. „Wykrycie Voyagera 1 to ekscytująca demonstracja możliwości systemu COSMIC” – cieszył się astronom Jack Hickish.

W jaki sposób szuka się obcych cywilizacji

Nawet przy wsparciu nowego systemu poszukiwanie sygnałów od obcych cywilizacji będzie jednak mozolnym zadaniem. COSMIC jako swoisty pasażer na gapę analizował sygnały zbierane przez czasze VLA podczas realizowanego przez ten system teleskopów, niezwiązanego z kosmitami programu mapowania nieba nad północną półkulą. W ciągu roku przetrawił 950 tys. obserwacji. I choć wypatrzył kilka tysięcy potencjalnie interesujących sygnałów, żaden z nich nie przeszedł przez wszystkie etapy filtrowania.

Porażka? Zdaniem astronomów – wcale nie. COSMIC zdecydowanie przyspiesza proces analizy danych pochodzących z radioteleskopów, co sprawia, że poszukiwania mogą ruszyć z kopyta. Ale zasadniczy problem pozostaje ten sam: do przeszukania pozostało wciąż około 200 mld gwiazd tylko w naszej Drodze Mlecznej.

Na szczęście mamy coraz lepsze pojęcie, czego szukać. Kluczem są właśnie technosygnatury.

Pierwszymi, których poszukiwaliśmy, były sygnały radiowe. Albo nadawane celowo, albo, co bardziej prawdopodobne, stanowiące uboczne skutki działalności cywilizacji technicznej. Przykład? Radary wykorzystywane w lotnictwie czy meteorologii. Opublikowane w grudniu ubiegłego roku badanie astronomów z Uniwersytetu Kalifornijskiego Berkeley stwierdza, że dysponujący podobną do ziemskiej technologią obserwator powinien wypatrzyć nasze radary z odległości 12 tys. lat świetlnych. I vice versa – nasze teleskopy powinny zauważyć działalność wieży kontroli lotów obcej cywilizacji. A w promieniu 12 tys. lat świetlnych od nas jest około 30 mld gwiazd.

Radio to jednak tylko początek. Program SETI wykorzystuje też teleskopy optyczne do poszukiwania ewentualnych błysków laserów, a dzięki coraz doskonalszym technikom obserwacji planet pozasłonecznych – udało nam się bezpośrednio sfotografować już kilkadziesiąt z nich – analizuje zmiany w składzie chemicznym obcych atmosfer, które mogą wskazywać na działalność inteligentnej cywilizacji.

Co może wskazywać, że ktoś tam mieszka

Opublikowane w grudniu badanie zespołu prowadzonego przez Davida Catlinga z Uniwersytetu Stanu Waszyngton wskazuje na przykład, że śladem działalności nieco bardziej zaawansowanej od nas cywilizacji byłaby zmiana w stosunku izotopów wodoru w wodach danego świata. Projektowane przez nas obecnie reaktory fuzyjne wykorzystują jako paliwo cięższą formę wodoru, czyli deuter. Cywilizacja polegająca na energii fuzji jądrowej mogłaby więc trwale zmienić stosunek deuteru do lżejszych izotopów w wodzie na danej planecie. A to bylibyśmy w stanie zmierzyć nawet długo po zniknięciu takiej cywilizacji.

Znakiem krzyczącym „tu ktoś mieszka” mogłaby być też obecność w atmosferze nietypowej ilości związków związanych z przemysłowymi zanieczyszczeniami, na przykład dwutlenku azotu. Planowany na lata 40. orbitalny teleskop Habitable Worlds Observatory (HWO – Obserwatorium Światów Nadających się do Zamieszkania) byłby w stanie takie zanieczyszczenia wypatrzeć.

„HWO pozwoliłby nam dostrzec takie emisje nawet 5,7 lat świetlnych od nas, czyli w odległości większej niż dzieląca nas od najbliższego sąsiada, Proximy Centauri” – stwierdzają w artykule opublikowanym w „Astronomical Journal” kalifornijscy badacze. A jeszcze bliżej wizytówką cywilizacji mogłyby być światła miast, wyspy ciepła czy satelity. Cywilizację trudno schować. Ale trzeba wiedzieć, gdzie szukać.

Istnieją jednak zjawiska, które obserwujemy od przeszło 20 lat i które także mogłyby być technosygnaturami. Powodem, dla którego nie są za takie powszechnie uznawane, jest to, że jeśli stanowią ślady działania innej cywilizacji, to musiałaby to być cywilizacja zdolna do kontrolowania całych systemów gwiezdnych.

Co wywołuje szybkie błyski radiowe?

Pierwszej obserwacji dokonano przypadkowo. Na początku XXI w. brytyjsko-amerykański astrofizyk Duncan Lorimer szukał bardzo młodych pulsarów, które produkują rzadkie, nietypowe „superbłyski”. Skierował więc australijski radioteleskop Parkes na dwie małe galaktyki towarzyszące Drodze Mlecznej – Mały oraz Duży Obłok Magellana. Podobno już pierwszego dnia obserwacji, w zasadzie zanim teleskop skierował się na cel, zanotowano niezwykle mocny sygnał. Szybko okazało się jednak, że jego źródło nie leży w sąsiedztwie naszej galaktyki, lecz o wiele dalej. A sygnał, trwający 5 milisekund, był tak silny, że jego źródłem musiało być zjawisko, które w ciągu tego mgnienia oka wyzwoliło energię, jaką nasze Słońce zazwyczaj produkuje w ciągu kilku dni czy tygodnia.

Zjawisko, nazwane szybkim błyskiem radiowym (ang. fast radio burst, FRB), było tak tajemnicze, że ostatecznie badacze opublikowali swoją pracę dopiero sześć lat później. Ale ten i jemu podobne odkryte w kolejnych latach błyski stanowią dziś jedną z największych zagadek astronomii.

Co mogło wywołać taki impuls? Hipotez do dziś jest mnóstwo. Ale do dziś wśród nich pozostaje także ta mówiąca, że te niezwykle jasne błyski, albo przynajmniej część z nich, mogą być swoistą wizytówką pozaziemskich cywilizacji.

– Jeżeli bardzo zaawansowane cywilizacje technologiczne są bardzo rzadkie w kosmosie, to jedyną możliwością manifestacji przez nie swojego istnienia nie jest komunikacja, tylko pozostawienie po sobie śladu w postaci procesów, które mogą być zauważone z dużych, kosmologicznych odległości, liczonych w setkach milionów czy miliardach lat świetlnych – opowiadał na kanale YouTube Copernicus Marcin Gawroński, radioastronom z Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu. – Pojawiły się publikacje czy spekulacje sugerujące, że FRB mogą być właśnie tego typu „świadectwami” istnienia zaawansowanych cywilizacji. Jednak pamiętajmy, że nauka koncentruje się na naturalnym wyjaśnieniu tego fenomenu i posiadamy już wiele istotnych wskazówek – mówił badacz.

Tyle że taka cywilizacja musiałaby być zdolna do okiełznania energii dla nas zupełnie niepojętych. Podobnych do skutków działania Gwiazdy Śmierci z „Gwiezdnych wojen” – czyli statku zdolnego do niszczenia całych planet.

Były szef obserwatorium astronomicznego Uniwersytetu Harvarda Avi Loeb spekuluje zaś, że FRB mogą być sygnałem pochodzącym z międzygwiezdnej „autostrady”. Tzn. mogą być potężnymi promieniami emitowanymi przez obce cywilizacje w celu napędzania wyposażonych w żagle świetlne statków kosmicznych. Oczywiście, kiedy mowa o takich energiach, można wyobrazić sobie także bardziej destrukcyjne zastosowania.

Kosmici i gwiezdne wojny nie są, rzecz jasna, pierwszym wytłumaczeniem, po jakie sięgają astronomowie. Jest sporo kandydatów na naturalne zjawiska, mogące stać za produkującymi FRB kataklizmami.

Blitzary i magnetary

Jedną z pierwszych hipotez było to, że błyski FRB są produkowane przez niewielkie gwiazdy, tzw. czerwone karły, w procesie tzw. rekoneksji magnetycznej – w gwałtownym zjawisku, w którym zaburzenia pola magnetycznego gwiazdy powodują erupcje zjonizowanego gazu, obserwowane na Słońcu w postaci koronalnych wyrzutów masy. Hipoteza ta została jednak szybko obalona. Kolejnym kandydatem były tzw. mikrokwazary, czyli podwójne układy gwiezdne, w których jeden z partnerów to czarna dziura albo niezwykle masywna gwiazda neutronowa.

Wśród podejrzanych znalazły się także supernowe (eksplozje gwiazd) – za energetyczny, ale krótkotrwały impuls, rejestrowany przez nas jako FRB, miałby odpowiadać kolaps jądra gwiazdy. A także tzw. blitzary, czyli gwiazdy neutronowe, które obracają się tak szybko, że mimo ogromnej masy nie zapadają się początkowo do czarnej dziury. FRB miały być też ostatnim „krzykiem” maleńkich czarnych dziur, parujących i znikających przez miliardy lat wskutek emisji tzw. promieniowania Hawkinga.

Jest możliwe, że za różne typy szybkich błysków radiowych odpowiadają różne zjawiska, ale na razie nie można wykluczyć, że za tymi sygnałami stoi jakiś proces fizyczny, którego jeszcze po prostu nie znamy.

Najbardziej prawdopodobnym źródłem wielu FRB są jednak tzw. magnetary. Specyficzny rodzaj gwiazd neutronowych, które stanowią najsilniejsze magnesy we wszechświecie, około 10 tys. razy silniejsze niż nowo narodzone, zwyczajne gwiazdy neutronowe. Ich pole magnetyczne jest tak silne, że jest jednym z nielicznych znanych nam „magazynów energii”, gromadzących jej dostatecznie dużo, by w milisekundę wyprodukować szybki błysk radiowy.

Tu jednak znów pojawił się szereg zagadek. W 2022 r. międzynarodowy zespół, w skład którego wchodził dr Gawroński, odkrył błyski radiowe dochodzące ze zgrupowania gwiazd (tzw. gromady kulistej) położonego w pobliżu galaktyki M81. I tu pojawił się problem: gromada pełna była starych, zmęczonych życiem gwiazd, podczas gdy magnetary to raczej gwiezdne młodziki.

– Większość magnetarów powstaje podczas wybuchu klasycznej supernowej, czyli kolapsu grawitacyjnego młodej, bardzo masywnej gwiazdy. Teoretycznie nowy magnetar może się narodzić ze starej gwiazdy, a dokładnie z przekształcenia białego karła w gwiazdę neutronową na skutek „zjadania” towarzysza w ciasnym układzie podwójnym. Następuje to po przekroczeniu pewnej krytycznej masy białego karła, dla której istnieje stabilna struktura wewnętrzna. Teoria mówi, że takiej transformacji powinno towarzyszyć zjawisko supernowej – tłumaczy dr Gawroński.

I dodaje: – Jednak to wszystko nie jest takie proste. Według naszych obecnych teorii, potwierdzonych częściowo obserwacjami, magnetary są bardzo aktywne krótko po wybuchu supernowej, zaledwie przez kilkadziesiąt tysięcy lat, co jest czasem znikomym w skali kosmosu. Pozostałości po supernowych o takim wieku powinny być dla nas zauważalne, ale w tym momencie, mimo prób przy wykorzystaniu najlepszego dostępnego sprzętu, nic nie udało się zaobserwować.

Kosmiczne zagadki

Wyjaśnienie zagadki FRB nie jest łatwe także dlatego, że zjawiska te są niezwykle ulotne. Większość znanych błysków to zdarzenia jednorazowe (choć znane są też źródła powtarzalnych błysków) i najczęściej występujące na odległościach tak wielkich, że wytypowanie jednego, konkretnego obiektu, który za nie odpowiada, jest niezwykle trudne. Nie pomaga też to, jak krótkie są błyski – znajdują się na granicy tego, do wykrywania czego zdolne są nasze przyrządy. Nie ze względu na ich zbyt małą czułość, ale na ograniczenia narzucane przez… pamięci komputerów.

– Radioteleskopy produkują olbrzymie ilości danych, ale ogranicza nas pojemność dyskowa, możliwa prędkość zapisu danych i tempo próbkowania samego sygnału. Lepiej jest zapisywać dane co milisekundę niż kilkaset razy szybciej, bo liniowo z prędkością spada zapotrzebowanie na pojemności dyskowe – tłumaczy dr Gawroński.

– Obecnie, w przypadku radioteleskopu toruńskiego, który jest używany przez moją grupę do badań, w standardowym trybie obserwacji produkujemy jeden terabit informacji w czasie około 90 minut. Docelowo sygnał zapisywany jest wtedy, gdy algorytmy poszukujące stwierdzą detekcję błysku dodatkowo potwierdzoną przez inspekcję manualną. Do czasu przeszukania danych jesteśmy zmuszeni trzymać całość na naszych dyskach, co utrudnia obserwacje i skraca życie dysków – dodaje.

Tu wracamy do poszukiwania Obcych. Bo systemy takie jak przetestowany właśnie COSMIC, pozwalające na żywo filtrować dane i wyszukiwać te najciekawsze, mogą być szansą także dla poszukiwań najbardziej tajemniczych, naturalnych zjawisk w kosmosie.

Same szybkie błyski radiowe, choć nadal są tajemnicze, dają szansę na wyjaśnienie innej zagadki kosmosu. W 2015 r. dzięki impulsom zarejestrowanym przez australijski radioteleskop udało się zważyć „zaginioną” materię barionową – tzn. klasyczną (a nie ciemną) materię, która w naszej galaktyce powinna być, ale której nie udało się wcześniej zaobserwować.

„Mając teraz również informację o odległości, z jakiej nadchodzi sygnał, możemy zmierzyć, jak gęsta jest materia między punktem, z którego pochodzi sygnał, a Ziemią, i porównać to z obecnym modelem rozmieszczenia materii we wszechświecie. Zasadniczo pozwala nam to zważyć wszechświat, a przynajmniej zwykłą materię, którą zawiera” – stwierdził współautor tej obserwacji, Simon Johnston z australijskiej agencji naukowej CSIRO.

A kto wie, może szukając szybkich błysków radiowych natrafimy też na inne tajemnicze sygnały. Takie, co do których nie będzie już wątpliwości, że ich źródło jest inteligentne. I nie jest nim wyprodukowana przez człowieka sonda, satelita albo generująca zakłócenia radiowe kuchenka mikrofalowa, używana w domu położonym kilometr od superczułego radioteleskopu.

Życie gwiazd

Gdy astronomowie odbierają niespodziewany sygnał z kosmosu, zwykle rozpoczynają od „standardowych podejrzanych”. Tymi zaś niemal zawsze są gwiazdy na którymś etapie swoich bujnych żywotów.

Większość gwiazd to podobne do Słońca, względnie niewielkie i spokojne „karły”. I tym zdarzają się jednak ekscesy. Pole magnetyczne wyciekające z gwiazdy lubi się plątać, a w szczególnie zawęźlonych punktach uwalnia się spora energia: na tyle duża, że potrafi docierać do nas nie tylko ze Słońca, ale czasem nawet z odległych regionów naszej galaktyki.

Nasze Słońce po kilku miliardach lat względnie spokojnie wygaśnie i pozostawi po sobie tak zwanego białego karła, jednak masywniejsze gwiazdy w końcowym etapie życia spektakularnie wybuchają. Takie eksplozje to supernowe – te zaś są tak jasne, że widujemy je już nawet z galaktyk innych niż nasza. Ponieważ szczegóły tego procesu nie są proste do zamodelowania, a natura nie lubi monotonii, nietypowe rozbłyski często każą się zastanawiać astronomom, czy to aby nie nowa odmiana supernowej.

Samo jądro masywnej gwiazdy, gdy już ucichnie supernowa, staje się albo gwiazdą neutronową, albo czarną dziurą. Obydwa te obiekty mają potężną masę upchniętą w maleńkiej objętości, co oznacza, że potrafią brutalnie zakręcić materią, rozerwać na strzępy zwykłą gwiazdę i tak dalej: idealny pretekst do tworzenia scenariuszy kończących się wielkim „bum!”.

Gwiazdy neutronowe mają ponadto potężne pola magnetyczne – te o szczególnie silnym to tzw. magnetary – te zaś, o czym była mowa wyżej, potrafią czasem uwolnić sporą porcję energii. Obiekty te lubią się ponadto szybko kręcić, co daje nam piękny scenariusz na wyjaśnienie szeregu rytmicznie po sobie następujących rozbłysków. Wystarczy sobie wyobrazić, że na tylko jednej półkuli takiej gwiazdy coś rozbłysło: światło to będzie do nas naprzemiennie trafiało i nie trafiało.

Jakby tego było mało, astronomowie uwielbiają tworzyć scenariusze zupełnie hipotetyczne. „Blitzar” to gwiazda neutronowa, która nagle zamieniła się w czarną dziurę, ponieważ spowolniło się tempo jej obrotu (a tylko siła odśrodkowa powstrzymywała jej samobójczy kolaps). „Nowa kwarkowa” to podobny scenariusz, jednak gwiazda neutronowa zamienia się w nim nagle w hipotetyczną „gwiazdę kwarkową”. Lista potencjalnych wyjaśnień kosmicznych rozbłysków jest długa, stale rosnąca i programowo otwarta.