Et radiosignal fra universets barndom
Et radioteleskop i Sydafrika har opfanget et enormt signal fra en tid milliarder af år tilbage — et signal der minder om et laserski ud fra et fjernt hjørne af universet.
Forskere tolker dette signal som en såkaldt gigamaser, en usædvanligt kraftig radiokilde der opstår ved sammenstød mellem to galakser. Det er et af de stærkeste fænomener af sin slags, som jordbaserede instrumenter nogensinde har registreret.
Sådanne observationer er langt mere end en kuriositet for astronomerne. Gigamasere fungerer som unikke markører i fjerne dele af kosmos, der hjælper med at kortlægge områder med intense galaksekollisioner og måle kosmiske afstande med større præcision. De giver os et vindue ind i universets tidlige udvikling.
Ikke en laser, men en maser — hvad MeerKAT egentlig fangede
Ved første øjekast kunne man tænke på en kosmisk laser. Men astronomerne taler faktisk om en maser, et fænomen der ligner laseren meget, men opererer i et andet bølgelængeområde. En laser producerer en fokuseret stråle af fotoner i synligt lys, mens en maser arbejder med fotoner på mikrobølgefrekvenser.
Når en sådan kilde udsender ekstraordinært kraftigt, bruger forskerne betegnelsen gigamaser. Det er præcis det, vi har at gøre med her. Signalet kom fra et system betegnet som HATLAS J142935.3–002836, beliggende cirka 8 milliarder lysår fra Jorden. Det betyder, at vi ser et fænomen, der fandt sted da universet kun var omtrent 5,8 milliarder år gammelt.
Radioteleskopet MeerKAT i Sydafrika opfangede et meget smalt frekvensbånd, men med en gigantisk lysstyrke. Inden signalet nåede Jorden, havde det tilbagelagt en utrolig lang rejse gennem det kosmiske rum, gradvist svækket og på sin vis bøjet af rumtiden, der er krum af materie.
Gigamaseren fra systemet HATLAS hører til blandt de mest ekstreme radiosignaler registreret på så stor en afstand fra Jorden. For forskerne er det en uvurderlig indsigt i de processer, der formede det tidlige univers.
Galaksekollisioner — ikke kosmiske sendere
På trods af fantasifulde hypoteser er der hverken tale om en besked fra en fremmed civilisation eller en ensom stjerne i sine dødskramper. Analysen peger på en dramatisk begivenhed i langt større skala: et sammenstød mellem to massive galakser i systemet HATLAS. Begge var stærkt gasmættede, hvilket viste sig at være afgørende.
Under et sådant sammenstød, der strækker sig over mange millioner år, udsættes enorme gasskyer for kompression og voldsom turbulens. I dette tilfælde kom millioner af milliarder molekyler af den såkaldte hydroxylradikal OH — sammensat af et oxygenatom og et hydrogenatom — i meget specifikke fysiske betingelser.
OH-molekyler kan gå over i en tilstand med højere energi, et fænomen kaldet populationsinversion. I den tilstand fungerer hvert enkelt molekyle som et mikroreservoir af energi. En enkelt impuls er nok til at få dem til at udsende denne energi i form af radiofotoner.
Når den første radiofoton opstår i en sådan sky, kan den tvinge nærliggende molekyler til at udsende identiske fotoner. Trin for trin opstår der derved en lavineffekt, der omdanner den kaotiske gasky til en naturlig mikrobølgeforstærker.
Sådan fødes en kosmisk maser
Det første OH-molekyle udsender en foton ved en bestemt frekvens. Denne foton stimulerer nabomolekyler til at udsende identiske fotoner, som igen stimulerer andre molekyler — og signalet forstærkes i én bestemt retning. Resultatet er en usædvanligt velordnet stråle, hvor alle bølger er i samme fase.
I stedet for at ophæve hinanden som i en kaotisk kilde forstærker de hinanden gensidigt. Det er præcis det, der omdanner gasskyen til en naturlig mikrobølgeforstærker — altså en maser. Processen minder om principperne bag almindelige lasere, men foregår ved mikrobølgefrekvenser.
Den kaotiske gasky opfører sig som en kosmisk mikrobølgelaser, hvor energien koncentreres i en smal stråle der bevæger sig i én retning. Uden denne effekt ville signalet have været for svagt til at jordbaserede instrumenter kunne opfange det.
Forskere fra forskellige observatorier har i mange år studeret disse fænomener, fordi de giver unikke oplysninger om den kemiske sammensætning af interstellar gas og dynamikken i kolliderende galakser. Hydroxylradikalmolekyler fungerer som perfekte indikatorer for de fysiske forhold på steder med intens stjernedannelse.
Dobbelt forstærkning — kvantefysik og gravitationslinse
I tilfældet med systemet HATLAS er molekylernes fysik dog ikke det hele. På sin rejse stødte signalet på en massiv galakse, hvis tyngdekraft lokalt deformerede rumtiden. Den virkede som en gigantisk linse, der koncentrerede og forstærkede de passerende radiobølger.
En såkaldt gravitationslinse kræver intet udstyr — kun stor masse. Set fra en observatør på Jorden minder effekten om at betragte en fjern lampe gennem en optisk linse: billedet bliver lysere og sommetider forvrænget.
Til teleskopet MeerKAT ankom der altså et signal, der først var forstærket på kvanteniveau og derefter yderligere forstærket af kosmossens geometri. Uden denne dobbelte forstærkning ville emissionen have været utilgængelig for vores instrumenter.
Forskere fra University of Cape Town og andre institutioner understreger, at gravitationslinseeffekten gør det muligt at studere objekter, der ellers ville være for svage eller for fjerne. Dette fænomen blev første gang forudsagt af Albert Einstein i hans generelle relativitetsteori og bruges i dag som et rutineværktøj inden for radioastronomi.
Lysstyrken svarende til 300.000 sole i et smalt frekvensbånd
Forskerne beregnede, at gigamaseren fra HATLAS havde en lysstyrke svarende til omkring 300.000 sole. Det er dog vigtigt at forstå denne værdi korrekt. Der er ikke tale om energi spredt over et bredt strålingsspektrum, men om en koncentration i et ekstraordinært smalt frekvensbånd knyttet til bestemte energiovergange i OH-molekylerne.
Hvert molekyletype har sit eget sæt af tilladte overgange mellem energiniveauer og dermed karakteristiske frekvenser, hvorved det kan udsende eller absorbere fotoner. For hydroxylradikalen er det netop disse linjer, der er synlige i masersignalet. Takket være dette fordeles den samlede effekt ikke over andre bølgelængder, og energikoncentrationen sikrer, at emissionen selv fra enorm afstand stikker ud over baggrundsstøjen.
For teleskopet MeerKAT var det et svagt signal i den kosmiske støj — selv om maseren ved sit udgangspunkt havde en lysstyrke svarende til hundredtusindvis af sol-lignende stjerner. Gennem milliarder af år svækkedes signalet og kæmpede sig igennem et virvar af gravitationsfelter og magnetfelter, men bevarede alligevel tilstrækkelig styrke til at nå instrumenterne på Jorden.
Det er en imponerende demonstration af nutidens radioastronomis formåen. At detektere så fjerne og relativt smalbåndsede kilder kræver ekstremt følsomme antenner og avanceret databehandling, der filtrerer signalet fra en enorm mængde interferens.
Hvad bruger forskerne sådanne masere til?
Gigamasere er ikke blot en kosmisk wow-faktor. De spiller rollen som bekvemme markører i udforskningen af fjerne dele af universet. Takket være dem kan astronomerne:
- Kortlægge steder med intense galaksekollisioner og -fusioner
- Undersøge fordelingen og tætheden af interstellar gas i fjerne epoker
- Måle kosmiske afstande mere præcist ved hjælp af molekylære linjefrekvenser
- Kortlægge hvordan stjernedannelsesaktiviteten har ændret sig gennem universets historie
Masere fungerer som en slags fyrtårne, der signalerer områder med energiintense processer — selv om de i sig selv blot er et biprodukt af disse processer. Takket være dem kan man rekonstruere forløbet af spektakulære begivenheder som galaksekollisioner, uden at man behøver at observere dem i realtid.
Forskere fra radioobservatorier verden over katalogiserer systematisk disse kilder og opbygger databaser, der hjælper med at kortlægge universets struktur i forskellige kosmiske epoker. Hver nyopdaget gigamaser tilføjer en brik til puslespillet om galaksernes evolution.
Gigamasere og radioastronomiens fremtid
Med tiden vil MeerKAT blive en del af et endnu større projekt — et radioteleskopnetværk kendt som Square Kilometre Array. Sådanne instrumenter vil gøre det muligt at opfange endnu svagere signaler og gennemsøge en langt større del af himlen med høj opløsning.
Jo flere gigamasere der lykkes at registrere, jo bedre kan forskerne rekonstruere historien om galaksefusioner, tempoet for stjernedannelse og gassens rolle i disse processer. Det påvirker igen modellerne for store kosmiske strukturers evolution, fra enkelte galakser til enorme superklustre.
For den der interesserer sig for sensor- og signalteknologi eller kommunikation, er et sådant tilfælde en fascinerende lektie. Universet udnytter naturligt principper, som vi i laboratorier forsøger at efterligne med lasere, forstærkere og frekvensfiltre. Masere viser, hvordan et smalt bånd og perfekt fasekohærens kan forvandle en ordinær gasky til en kraftfuld sender, synlig fra milliarder af lysår.
