Et radioteleskop i Sydafrika fangede et signal fra milliarder af år tilbage
Et kraftfuldt signal fra en fjern afkrog af universet nåede for nylig frem til instrumenterne på Jorden – og det ligner forbløffende meget en laserstrålende fra det dybe verdensrum. Signalet stammer fra en tid, der ligger milliarder af år tilbage.
Forskere fortolker dette signal som en såkaldt gigamaser – en usædvanlig kraftfuld radiokilde, der opstår, når to galakser kolliderer. Det er et af de mest ekstreme fænomener af sin slags, der nogensinde er registreret af instrumenter på Jorden.
Ikke en laser, men en maser – hvad MeerKAT egentlig opfangede
Ved første øjekast kan man forestille sig en kosmisk laser. Men astronomerne taler faktisk om en maser – et fænomen der minder meget om en laser, men som opererer i et andet bølgelængdeområde. En laser producerer en ordnet stråle af fotoner i synligt lys, mens en maser udsender fotoner med mikrobølgefrekvens. Når en sådan kilde lyser med ekstraordinær intensitet, bruger forskerne betegnelsen gigamaser.
Præcis det er tilfældet her. Signalet kom fra et system betegnet som HATLAS J142935.3–002836, der befinder sig cirka 8 milliarder lysår fra Jorden. Det betyder, at vi observerer et fænomen, der fandt sted, da universet blot var omkring 5,8 milliarder år gammelt.
Radioteleskopet MeerKAT i Sydafrika opfangede et meget smalt frekvensbånd med enorm klarhed. Inden signalet nåede Jorden, havde det tilbagelagt en utænkelig lang vej gennem det kosmiske rum, svækket og på sin vis reflekteret af den krumme rumtidsstruktur, som masse deformerer. Forskerne fra MeerKAT-projektet anser denne gigamaser fra HATLAS-systemet for at være et af de mest ekstreme radiosignaler, der nogensinde er registreret fra så stor en afstand.
Galaksekollisioner i stedet for kosmiske sendere
Der er ingen fantastiske forklaringer her – det handler hverken om en besked fra en fremmed civilisation eller en ensom stjerne i sin dødskamp. Analysen peger på en dramatisk begivenhed af langt større målestok: en kollision mellem to massive galakser i HATLAS-systemet. Begge galakser var tæt pakket med gas, hvilket viste sig at være afgørende.
Under en sådan kollision, der strækker sig over mange millioner år, komprimeres og hvirvles gigantiske gasformige skyer voldsomt rundt. I dette tilfælde stødte billioner af hydroxylradikaler – molekyler sammensat af et ilt- og et brintatom – ind i meget specifikke fysiske betingelser. Forskere fra University of Cambridge og andre institutioner, der undersøgte fænomenet, bekræftede, at OH-molekylerne kan overgå til en tilstand med højere energi.
Dette fænomen, kaldet populationsinversion, gør, at hvert enkelt molekyle opfører sig som en miniature energireservoir. En enkelt impuls er nok til at frigive denne energi i form af radiofotoner. Når den første radiofoton optræder i en sådan sky, kan den tvinge naboende molekyler til at udsende yderligere fotoner.
Sådan opstår en kosmisk maser
Gradvist opstår der en lavinelignende effekt, som fysikere beskrev detaljeret allerede i 1960’erne. Princippet ligner det, vi kender fra lasere i hverdagsteknologi – blot med mikrobølger i stedet for synligt lys.
- Det første OH-molekyle udsender en foton på en bestemt frekvens
- Denne foton stimulerer naboende molekyler til at udsende identiske fotoner
- Yderligere molekyler gør det samme og forstærker signalet i én retning
- Alle bølger sammensættes i samme fase
- I stedet for at udslukke hinanden som i en kaotisk kilde, forstærker de hinanden
- Gasskyen omdannes til en naturlig mikrobølgeforstærker
- Energien koncentreres i en smal stråle, der bevæger sig i én retning
Resultatet er en ekstremt ordnet stråle, hvor alle bølger svinger i samme fase. Det er præcis det, der omdanner en kaotisk gassky til en naturlig mikrobølgeforstærker – en maser. En tilsyneladende uordnet sky af gas begynder at fungere som en kosmisk mikrobølgelaser med energi koncentreret i en smal stråle.
Dobbelt forstærkning – kvantefysik og gravitationslinse
I tilfældet med HATLAS-systemet er molekylærfysikken ikke hele historien. Undervejs i sin rejse stødte signalet på en massiv galakse, hvis tyngdekraft lokalt deformerede rumtiden. Den virkede som en kæmpe linse og koncentrerede samt forstærkede de passerende radiobølger. Forskere fra Jodrell Bank Observatory bekræftede, at denne gravitationslinseeffekt bidrog væsentligt til fænomenets observerbarhed.
En gravitationslinse kræver intet teknisk udstyr – kun stor masse. Fra en jordbaseret observers synspunkt minder effekten om at betragte en fjern lampe gennem en optisk linse: billedet bliver klarere og til tider forvrænget. Det signal, der nåede MeerKAT, var altså først forstærket på kvanteniveau og derefter yderligere forstærket af universets geometri.
Uden denne dobbelte forstærkning ville emissionen have været umulig at registrere med vores instrumenter. Astronomer fra det sydafrikanske radioobservatorium beregnede, at kombinationen af masereffekten og gravitationslinseeffekten tilsyneladende øgede signalets lysstyrke med op til hundrede gange sammenlignet med, hvad der ville have været observerbart uden den mellemliggende galakse.
Lysstyrken svarende til 300.000 sole i ét smalt frekvensbånd
Forskerne beregnede, at gigamaseren fra HATLAS havde en lysstyrke svarende til cirka 300.000 sole. Det er dog vigtigt at forstå denne værdi korrekt. Det drejer sig ikke om energi spredt over hele strålingsspektret, men om energi koncentreret i et ekstremt smalt frekvensbånd knyttet til bestemte energiovergangs-linjer hos OH-molekylerne.
Hvert molekyletype har sit eget sæt tilladte overgange mellem energiniveauer og dermed karakteristiske frekvenser, hvorpå det kan udsende eller absorbere fotoner. For hydroxylradikalet er det netop de linjer, der er synlige i masersignalet. Takket være dette spredes al effekten ikke til andre bølgelængder, og energikoncentrationen gør det muligt for emissionen at skille sig ud fra baggrundsstøjen selv fra enorme afstande.
For MeerKAT var det blot en svag impuls i den kosmiske støj – selvom maseren i sit udspring brændte med en lysstyrke svarende til hundredtusindvis af solignende stjerner. Efter milliarder af år var signalet svækket og filtret gennem tætte netværk af gravitationelle og magnetiske felter, men det bevarede nok energi til at nå instrumenterne på Jorden. Det er en imponerende prøve på nutidens radioastronomis muligheder.
Hvad forskerne bruger gigamasere til
Gigamasere er ikke blot en kosmisk kuriøsitet i kategorien af bemærkelsesværdige opdagelser. De fungerer som bekvemme markører i udforskningen af fjerne dele af universet. Takket være dem kan astronomer:
- Spore steder med intense galaksekollisioner og fusioner
- Undersøge fordelingen og tætheden af interstellar gas i fjerne epoker
- Måle kosmiske afstande med præcise frekvenser fra molekylære linjer
- Verificere, hvordan stjernedannelsesaktiviteten har ændret sig i universets historie
- Kortlægge fordelingen af hydroxylradikaler
- Studere dynamikken i gasformige skyer under kollisioner
Masere fungerer altså som en slags fyrtårne, der signalerer områder, hvor noget energimæssigt intenst finder sted – selvom de selv blot er et biprodukt af disse processer. De giver mulighed for at rekonstruere forløbet af spektakulære begivenheder som galaksekollisioner uden at skulle observere dem i realtid. Forskere fra European Southern Observatory anser disse fund for afgørende for forståelsen af store kosmiske strukturers evolution.
Hvad gigamasere fortæller os om radioastronomiens fremtid
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 afsøge en langt større del af himlen med høj opløsning. Jo flere gigamasere der registreres, desto bedre kan forskerne rekonstruere historien om galaksefusioner, tempoet for stjernedannelse og gassets rolle i disse processer.
Det har igen indflydelse på modellerne for store kosmiske strukturers evolution – fra enkelte galakser til enorme superkupler. For alle med interesse for sensor-, signal- og kommunikationsteknologi er et sådant tilfælde en fascinerende lektion: universet udnytter på naturlig vis principper, som vi i laboratorier forsøger at efterligne med lasere, forstærkere og frekvensfiltre.
Masere demonstrerer, hvordan et smalt frekvensbånd og perfekt fasemæssig overensstemmelse kan omdanne en almindelig gassky til en kraftfuld sender, der er synlig fra milliarder af lysår. Det rejser spørgsmålet, hvilke andre naturlige processer i universet der endnu venter på at blive opdaget – og hvilken teknologisk inspiration vi vil hente fra dem i de kommende årtier.
