Et kosmisk signal fra fortiden
Et radioteleskop i Sydafrika har fanget et voldsomt signal fra en tid milliarder af år tilbage — et signal, der minder om et laserskud fra en fjern krog af universet. Forskere har tolket det som en gigamaser, en ekstremt kraftig radiosignalkilde dannet under kollapset af to galakser.
Det er ikke en laser, men en maser — princippet er lignende, men forskellen ligger i bølgelængderne. Mens en laser udsender en fokuseret stråle af fotoner i synligt lys, arbejder en maser med fotoner i mikrobølgefrekvenser. Når en sådan kilde udsender med usædvanlig styrke, bruger forskere betegnelsen gigamaser. Og det er præcis det, vi har med at gøre her.
8 milliarder lysår væk — et glimt af det tidlige univers
Signalet kom fra et system betegnet som HATLAS J142935.3–002836, beliggende cirka 8 milliarder lysår fra Jorden. Det betyder, at vi observerer en hændelse, der fandt sted, da universet kun var 5,8 milliarder år gammelt. Radioteleskopet MeerKAT i Sydafrika opfangede et ekstremt smalt frekvensbånd med enorm lysstyrke.
Inden signalet nåede Jorden, havde det rejst gennem det kosmiske rum i en ufattelig lang tid — gradvist svagnet og på sin vis reflekteret af rumtidens krumme struktur. At det overhovedet kunne registreres er bemærkelsesværdigt i sig selv.
Galaksekollision frem for kosmisk sender
Trods fantasifulde forestillinger er dette hverken en besked fra en fremmed civilisation eller en døende stjerne. Analysen peger på en dramatisk begivenhed i langt større skala: en kollision mellem to massive galakser i systemet HATLAS. Begge galakser var tæt pakket med gas — og det viste sig at være afgørende.
Under en sådan kollision, som strækker sig over mange millioner år, komprimeres og forstyrres kæmpestore gasskyer voldsomt. I dette tilfælde havnede billioner af molekyler af hydroxylradikalet (OH) — bestående af et ilt- og et brintatom — under meget specifikke fysiske betingelser.
OH-molekyler kan bringes til en tilstand med forhøjet energi, kaldet populationsinversion. I den tilstand fungerer hvert molekyle som et lille energilager. Én impuls er nok, og det begynder at udsende energi som radiofrekvente fotoner. Når den første foton opstår i skyen, kan den tvinge naboende molekyler til at udsende identiske fotoner — og en lavineeffekt begynder.
Hvordan en kosmisk maser opstår
Den kaotiske gassky begynder at opføre sig som en kosmisk mikrobølgelaser. Energi koncentreres i en smal stråle, der bevæger sig i én retning. Det første OH-molekyle udsender en foton ved en bestemt frekvens, denne foton stimulerer naboerne til at udsende identiske fotoner, og processen forstærker sig selv i én retning.
Resultatet er en bemærkelsesværdigt ordnet stråle, hvor alle bølger er i fase. I stedet for at udligne hinanden som i en kaotisk kilde, forstærker de hinanden. Det er præcis det, der omdanner en gassky til en naturlig mikrobølgeforstærker — altså en maser.
Hvert molekyletype har sit eget sæt af tilladte energiniveauovergange og dermed karakteristiske frekvenser. For hydroxylradikalet er det netop de spektrallinjer, der ses i masersignalet. Fordi al energi koncentreres i et smalt bånd, trænger emissionen igennem baggrundsstøjen selv fra enorme afstande.
Dobbelt forstærkning: kvantefysik og gravitationslinse
For forskerne bag MeerKAT var det blot en svag skælven i det kosmiske støj — selvom maseren i dens oprindelse lyste svarende til omkring 300.000 Sole. Over milliarder af år svækkedes signalet og blev viklet ind i et net af gravitationelle og magnetiske felter, men bevarede nok styrke til at nå instrumenterne på Jorden.
Forskerne opdagede desuden, at fænomenet blev yderligere forstærket undervejs. Signalet stødte på en massiv galakse, hvis tyngdekraft lokalt forvrider rumtiden. Denne galakse fungerede som en kæmpe gravitationslinse, der fokuserede og forstærkede de passerende radiobølger.
En sådan gravitationslinse kræver intet udstyr — kun stor masse. Fra en jordbaseret observatørs synspunkt minder effekten om at se en fjern lyskilde gennem en optisk linse: billedet bliver klarere og til tider forvrænget. Det, der nåede MeerKATs antenner, var derfor et signal, der først var forstærket på kvanteniveau og derefter yderligere støttet af universets geometri.
Uden denne dobbelte forstærkning ville emissionen have været fuldstændig utilgængelig for vores instrumenter. Sydafrikanske forskere i samarbejde med kolleger fra forskellige institutioner lykkedes takket være præcise målinger af de karakteristiske frekvenser med at bekræfte signalets oprindelse i systemet HATLAS.
Hvad bruges gigamasere til i forskningen?
Gigamasere spiller en vigtig rolle i studiet af fjerne dele af universet. De fungerer som naturlige fyrtårne, der markerer steder med intense galaksekollisioner og sammensmeltninger — og det helt uden at man behøver at observere dem i realtid.
- Kortlægning af steder med intense galaksekollisioner og sammensmeltninger
- Undersøgelse af fordelingen og tætheden af interstellar gas i fjerne epoker
- Mere præcis måling af kosmiske afstande ved hjælp af molekylære spektrallinjer
- Verifikation af ændringer i stjerneformationsaktivitet gennem universets historie
- Studier af fysiske forhold i områder med ekstrem gaskompression
- Test af modeller for gravitationslinseeffekter over store afstande
Selvom en maser kan virke eksotisk, er dens virkemåde meget lig den, der benyttes i hverdagslige lasere. I begge tilfælde drejer det sig om stimuleret emission af stråling, hvor fotoner opfordrer atomer eller molekyler til at udsende identiske fotoner. Forskellen ligger primært i frekvens og skala.
Gigamasere og fremtiden for radioastronomi
Med tiden vil MeerKAT blive en del af et endnu større projekt — et netværk af radioteleskoper kendt som Square Kilometre Array. Sådanne instrumenter vil gøre det muligt at opfange endnu svagere signaler og dække langt større dele af himlen med høj opløsning.
Jo flere gigamasere der registreres, desto bedre kan forskerne rekonstruere galaksernes fusionstempo, stjernedannelseshastigheden og gassets rolle i disse processer. Det påvirker igen modellerne for udviklingen af store kosmiske strukturer — fra individuelle galakser til kæmpe superclusters.
Masere viser, hvordan et smalt frekvensbånd og perfekt fasejustering kan omdanne en ordinær gassky til en kraftfuld sender, synlig fra milliarder af lysår. Forskere fra universiteter og observatorier verden over fortsætter analysen af data fra MeerKAT og forbereder fremtidige observationer, der skal afsløre flere lignende objekter. Hver ny gigamaser giver værdifuld indsigt i de fysiske betingelser i det tidlige univers og hjælper med at præcisere de kosmologiske modeller.
