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South African telescope detects record-breaking signal from the early universe

Telescopio sudafricano detecta señal récord del universo primitivo

South African telescope detects record-breaking signal from the early universe

Thato Manamela, South African Radio Astronomy Observatory (SARAO) post-doctoral researcher, University of Pretoria Roger P. Deane, Director: Wits Centre for Astrophysics; SKA Chair in Radio Astronomy, University of the Witwatersrand
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Scientists have discovered the most distant hydroxyl megamaser ever detected. This is a natural space laser.

Los científicos han descubierto el megamaser de hidroxilo más distante jamás detectado. Esto es un láser espacial natural.

Astronomers using the MeerKAT radio telescope in South Africa have discovered the most distant hydroxyl megamaser ever detected, opening a new radio astronomy frontier. A hydroxyl megamaser is a natural space laser, and this one is located in a violently merging galaxy more than 8 billion light-years away.

Astrónomos que utilizan el telescopio de radio MeerKAT en Sudáfrica han descubierto el megamaser de hidroxilo más distante jamás detectado, abriendo una nueva frontera para la astronomía de radio. Un megamaser de hidroxilo es un láser espacial natural, y este se encuentra ubicado en una galaxia en fusión violenta a más de 8 mil millones de años luz de distancia.

We spoke to the astronomers, Thato Manamela, a postdoctoral researcher at the University of Pretoria, and Roger Deane, director of the Inter-University Institute for Data Intensive Astronomy and a professor at the universities of Cape Town and Pretoria, about their study.

Hablamos con los astrónomos, Thato Manamela, investigador postdoctoral de la Universidad de Pretoria, y Roger Deane, director del Instituto Interuniversitario de Astronomía Intensiva de Datos y profesor en las universidades de Ciudad del Cabo y Pretoria, sobre su estudio.

What you’ve found has been described as a ‘new frontier’ in space research. Why is it extraordinary?

Lo que han encontrado ha sido descrito como una «nueva frontera» en la investigación espacial. ¿Por qué es extraordinario?

This discovery is extraordinary because of the record distance at which we’ve detected it, over eight billion light-years away. That places it deep into the early universe. This means that we aren’t seeing the galaxy as it exists today. We are seeing it as it was 8 billion years ago. Since the Big Bang happened about 13.8 billion years ago, we are looking at a “toddler” version of the universe. At that stage where the maser signal was transmitted by the host galaxy, galaxies were much more “chaotic”, they collided more often and were much more active than the stable, mature galaxies we see nearby today.

Este descubrimiento es extraordinario debido a la distancia récord a la que lo hemos detectado, a más de ocho mil millones de años luz. Esto lo sitúa en las profundidades del universo primitivo. Esto significa que no estamos viendo la galaxia como existe hoy. La estamos viendo como era hace 8 mil millones de años. Dado que el Big Bang ocurrió hace unos 13.800 millones de años, estamos observando una versión «de bebé» del universo. En esa etapa, cuando la señal maser fue transmitida por la galaxia anfitriona, las galaxias eran mucho más «caóticas», colisionaban con más frecuencia y eran mucho más activas que las galaxias estables y maduras que vemos cerca hoy en día.

It gives us a rare glimpse of galaxy interactions and extreme star-forming environments when the cosmos was less than half its current age. Think of light like a letter in the mail. If a friend sends a letter from overseas, by the time you read it, the news is old. In space, light is the letter. The “news” from this galaxy took 8 billion years to reach us. We see the galaxy as a “toddler” even though, in its own time, it has already grown up or changed.

Nos da un vistazo raro de las interacciones galácticas y los entornos extremos de formación estelar cuando el cosmos tenía menos de la mitad de su edad actual. Piensen en la luz como una carta por correo. Si un amigo envía una carta desde el extranjero, para cuando usted la lee, la noticia es vieja. En el espacio, la luz es la carta. Las «noticias» de esta galaxia tardaron 8 mil millones de años en llegar hasta nosotros. Vemos la galaxia como si fuera un «bebé», aunque en su propio tiempo ya haya crecido o cambiado.

We detected this megamaser, which operates on a scale of power millions of times greater than a typical galactic maser. Both megamasers and gigamasers are cosmic radio lasers. While a megamaser is a million times more luminous than a standard maser found in the local universe, a gigamaser is a billion times more luminous, making it 1,000 times more powerful than a megamaser.

Detectamos este megamaser, que opera a una escala de potencia millones de veces mayor que un maser galáctico típico. Tanto los megamasers como los gigamasers son láseres de radio cósmicos. Mientras que un megamaser es un millón de veces más luminoso que un maser estándar encontrado en el universo local, un gigamaser es mil millones de veces más luminoso, lo que lo hace 1.000 veces más potente que un megamaser.

In just five hours of observing time we found a signal that typically requires hundreds of hours of observation, given its distance and rarity. But gravitational lensing boosted the signal enough to detect it. Additionally, while we were targeting neutral hydrogen, MeerKAT’s wide bandwidth enabled the surprise discovery of the megamaser signal in the same data.

En solo cinco horas de tiempo de observación encontramos una señal que normalmente requiere cientos de horas de observación, dada su distancia y rareza. Pero la lente gravitacional amplificó la señal lo suficiente para detectarla. Además, mientras estábamos apuntando al hidrógeno neutro, el ancho de banda amplio de MeerKAT permitió el descubrimiento sorpresa de la señal megamaser en los mismos datos.

This rapid detection suggests that future surveys with MeerKAT and the upcoming SKA Observatory could uncover many more such distant, extreme objects. Its ability to find this so quickly proves that we finally have the technology to see faint signals from the very distant past. It’s a preview of what the upcoming Square Kilometre Array (SKA) , a unique, one-of-a-kind international mega-project, might achieve.

Esta detección rápida sugiere que futuros estudios con MeerKAT y el próximo Observatorio SKA podrían descubrir muchos más objetos distantes y extremos como este. Su capacidad para encontrar esto tan rápido demuestra que finalmente tenemos la tecnología para ver señales débiles del pasado muy lejano. Es un adelanto de lo que podría lograr el próximo Square Kilometre Array (SKA) , un mega-proyecto internacional único en su clase.

But a highly complementary next-generation facility called the next-generation Very Large Array (ngVLA) is being planned and designed for construction in the US. The SKA Observatory (SKA-Low and SKA-Mid) focuses on low-to-mid radio frequencies. The ngVLA will operate at much higher frequencies. Together, they will form two of the major pillars of next-generation global radio astronomy. The finding gives astronomers a new way to study how galaxies evolved in the early universe.

Pero se está planificando y diseñando una instalación de próxima generación altamente complementaria llamada Very Large Array de próxima generación (ngVLA) para su construcción en EE. UU. El Observatorio SKA (SKA-Low y SKA-Mid) se centra en frecuencias de radio bajas a medias. El ngVLA operará en frecuencias mucho más altas. Juntos, formarán dos de los principales pilares de la astronomía de radio global de próxima generación. Este hallazgo da a los astrónomos una nueva forma de estudiar cómo evolucionaron las galaxias en el universo primitivo.

What technologies or capabilities made this possible?

¿Qué tecnologías o capacidades hicieron esto posible?

The discovery was made possible by the sensitivity and wide frequency coverage of the MeerKAT radio telescope. Its ability to detect faint signals over a broad frequency range allows us to search for spectral lines across large cosmic volumes. A spectral line is a cosmic chemical fingerprint. Every atom or molecule emits electromagnetic waves at specific frequencies. Detecting those frequencies tells astronomers what the gas is made of.

El descubrimiento fue posible gracias a la sensibilidad y amplia cobertura de frecuencias del radiotelescopio MeerKAT. Su capacidad para detectar señales débiles en un amplio rango de frecuencias nos permite buscar líneas espectrales a través de grandes volúmenes cósmicos. Una línea espectral es una firma química cósmica. Cada átomo o molécula emite ondas electromagnéticas en frecuencias específicas. Detectar esas frecuencias indica a los astrónomos de qué está compuesto el gas.

In this case, MeerKAT’s wide bandwidth allowed us to detect both the hydroxyl line and neutral hydrogen absorption in a single observation. Previously, with older technology, this would have taken two separate observations.

En este caso, el ancho de banda amplio de MeerKAT nos permitió detectar tanto la línea de hidroxilo como la absorción de hidrógeno neutro en una sola observación. Anteriormente, con tecnología más antigua, esto habría requerido dos observaciones separadas.

Equally important are advances in data processing and computing. The data were processed using high-performance computing resources at the Inter-University Institute for Data Intensive Astronomy (IDIA) .

Igualmente importantes son los avances en el procesamiento de datos y la computación. Los datos fueron procesados utilizando recursos de computación de alto rendimiento en el Instituto Interuniversitario para Astronomía Intensiva de Datos (IDIA) .

Processing such massive amounts of data is like trying to drink from a firehose. MeerKAT collects gigabytes of information every second, resulting in files far too large for a standard computer to handle. To find a signal from 8 billion years ago, which is millions of times fainter than a cell phone signal, we must use robust calibration pipelines. These act like an automated high-tech car wash to scrub away digital noise and sharpen the telescope’s focus. This “cleaning” process requires trillions of mathematical calculations, necessitating the use of supercomputers that work for days to transform raw radio interference into a clear scientific discovery.

Procesar cantidades tan masivas de datos es como intentar beber de una manguera contra incendios. MeerKAT recopila gigabytes de información cada segundo, lo que resulta en archivos demasiado grandes para que una computadora estándar pueda manejarlos. Para encontrar una señal de hace 8 mil millones de años, que es millones de veces más débil que la señal de un teléfono celular, debemos usar flujos de calibración robustos. Estos actúan como un lavado de autos automatizado y de alta tecnología para eliminar el ruido digital y enfocar la lente del telescopio. Este proceso de «limpieza» requiere billones de cálculos matemáticos, lo que exige el uso de supercomputadoras que trabajan durante días para transformar la interferencia de radio bruta en un claro descubrimiento científico.

Gravitational lensing also played a key role. A massive foreground object, like a star or galaxy, for example, amplified the signal from the distant galaxy, effectively acting as a natural telescope and boosting our ability to detect it.

El efecto de lente gravitacional también desempeñó un papel clave. Un objeto masivo en primer plano, como una estrella o galaxia, por ejemplo, amplificó la señal de la galaxia distante, actuando efectivamente como un telescopio natural y aumentando nuestra capacidad para detectarla.

How does what you’ve found change our understanding of the universe?

¿Cómo cambia lo que han encontrado nuestra comprensión del universo?

It’s rare that a single astrophysical system, a collection of celestial objects, in this case, two galaxies forming a lens system, can change our understanding of the universe. We typically need large sample sizes to do that. But the combination of the recording-breaking distance and the speed of the discovery was impressive.

Es raro que un único sistema astrofísico, una colección de objetos celestes, en este caso, dos galaxias formando un sistema de lente, pueda cambiar nuestra comprensión del universo. Normalmente necesitamos tamaños de muestra grandes para hacer eso. Pero la combinación de la distancia récord y la rapidez del descubrimiento fue impresionante.

It suggests that systematic searches – such as those conducted by deep MeerKAT surveys – could convert these once-rare finds into powerful probes of extreme, yet highly obscured star formation in the distant universe. As a result of this observation, the SKA Observatory and other future telescopes won’t just be looking for more of the same; they will be looking for hidden history.

Sugiere que las búsquedas sistemáticas – como las realizadas por profundos estudios MeerKAT – podrían convertir estos hallazgos antes raros en sondas poderosas de formación estelar extrema, pero altamente oscurecida, en el universo distante. Como resultado de esta observación, el Observatorio SKA y otros telescopios futuros no solo buscarán más de lo mismo; buscarán una historia oculta.

Hydroxyl megamasers are usually associated with galaxy mergers. We expect some galaxy mergers to host pairs of supermassive black holes. Almost every large galaxy has a supermassive black hole at its centre. When galaxies merge, the supermassive black holes at their centres can eventually spiral towards each other, producing gravitational waves, ripples in space-time. Finding systems like this helps astronomers study an important stage in galaxy evolution and the environments where these extreme events occur.

Los megamasers de hidroxilo suelen estar asociados con fusiones galácticas. Esperamos que algunas fusiones galácticas alberguen pares de agujeros negros supermasivos. Casi todas las galaxias grandes tienen un agujero negro supermasivo en su centro. Cuando las galaxias se fusionan, los agujeros negros supermasivos en sus centros pueden eventualmente espiralizarse el uno hacia el otro, produciendo ondas gravitacionales, ondulaciones en el espacio-tiempo. Encontrar sistemas como este ayuda a los astrónomos a estudiar una etapa importante en la evolución de las galaxias y los entornos donde ocurren estos eventos extremos.

By using megamasers to find these pairs, we can study the final stages of how the largest objects in the universe are built. This is a major milestone in a galaxy’s life. By finding these galaxies now, we are catching them at a key evolutionary stage, the final countdown before they collide and release a massive burst of energy that our next generation of detectors will be able to hear.

Al usar megamasers para encontrar estos pares, podemos estudiar las etapas finales de cómo se construyen los objetos más grandes del universo. Este es un hito importante en la vida de una galaxia. Al encontrar estas galaxias ahora, las estamos capturando en una etapa evolutiva clave, la cuenta regresiva final antes de que colisionen y liberen una enorme ráfaga de energía que nuestra próxima generación de detectores podrá escuchar.

The strength of the MeerKAT-detected hydroxyl signal after such a short observation time therefore implies that astronomers will be able to detect large numbers of these systems across most of cosmic time.

Por lo tanto, la fuerza de la señal de hidroxilo detectada por MeerKAT después de un tiempo de observación tan corto implica que los astrónomos podrán detectar grandes números de estos sistemas a lo largo de la mayor parte del tiempo cósmico.

What does the discovery say about South Africa’s place in data-intensive radio astronomy?

¿Qué dice el descubrimiento sobre el lugar de Sudáfrica en la astronomía de radio intensiva en datos?

This discovery highlights South Africa’s leading role in radio astronomy. Facilities such as MeerKAT, combined with data-intensive platforms like IDIA, provide world-class capabilities for both observation and analysis. It also demonstrates strong local expertise in handling large, complex datasets.

Este descubrimiento resalta el papel líder de Sudáfrica en la astronomía de radio. Instalaciones como MeerKAT, combinadas con plataformas intensivas en datos como IDIA, proporcionan capacidades de clase mundial tanto para la observación como para el análisis. También demuestra una sólida experiencia local en el manejo de conjuntos de datos grandes y complejos.

Discoveries like this rely on advanced data processing, signal extraction and scientific interpretation. These are all key strengths within the South African research community. As we move from using current scout telescopes like MeerKAT to building and operating the world’s largest radio observatory, the SKAO, South Africa is well positioned to remain a hub for data-intensive astronomy. Results like this reinforce the country’s role in shaping the future of the field.

Descubrimientos como este dependen del procesamiento avanzado de datos, la extracción de señales y la interpretación científica. Todas estas son fortalezas clave dentro de la comunidad investigadora sudafricana. A medida que pasamos de utilizar telescopios exploratorios actuales como MeerKAT a construir y operar el observatorio de radio más grande del mundo, el SKAO, Sudáfrica está bien posicionada para seguir siendo un centro para la astronomía intensiva en datos. Resultados como este refuerzan el papel del país en la configuración del futuro del campo.

Thato Manamela works for the University of Pretoria. He receives funding from the National Research Foundation (NRF SARAO) . He is affiliated with UP and IDIA.

Thato Manamela trabaja para la Universidad de Pretoria. Recibe financiación de la Fundación Nacional de Investigación (NRF SARAO) . Está afiliado a UP e IDIA.

Roger P. Deane previously held an SKA Research Chair in Radio Astronomy, funded by the South African Radio Astronomy Observatory, which is a facility of the National Research Foundation (NRF) , an agency of the Department of Science, Technology and Innovation (DSTI) .

Roger P. Deane ocupó anteriormente una Cátedra de Investigación SKA en Astronomía de Radio, financiada por el Observatorio Astronómico de Radio Sudafricano, que es una instalación de la Fundación Nacional de Investigación (NRF) , una agencia del Departamento de Ciencia, Tecnología e Innovación (DSTI) .

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