Et radiosignal fra milliardernes tidsalder
Et radioteleskop i Sydafrika har opfanget et voldsomt signal fra en tid, der ligger milliarder af år tilbage — et signal, der minder om en laserstrålé fra et fjernt hjørne af universet.
Forskere tolker signalet som en såkaldt gigamaser, en usædvanligt kraftfuld radiokilde opstået ved sammenstødet mellem to galakser. Det er et af de mest ekstreme fænomener af sin slags, som jordbaserede instrumenter nogensinde har registreret.
Ikke en laser, men en maser — hvad fangede MeerKAT egentlig?
Ved første øjekast kunne man fristes til at tænke på en kosmisk laser. Men astronomerne taler præcist om en maser — et fænomen, der ligner laseren meget, men opererer i et andet bølgelængdeområde. Mens en laser udsender en ordnet stråle af fotoner i synligt lys, producerer en maser fotoner i mikrobølgefrekvenser. Når en sådan kilde stråler med ekstraordinær intensitet, bruger forskerne betegnelsen gigamaser.
Signalet kom fra systemet HATLAS J142935.3–002836, beliggende cirka 8 milliarder lysår fra Jorden. Det betyder, at vi observerer et fænomen, som fandt sted, da universet kun var omkring 5,8 milliarder år gammelt.
Radioteleskopet MeerKAT i Den Sydafrikanske Republik opfangede et meget smalt frekvensbånd, men med enorm lysstyrke. Inden signalet nåede Jorden, havde det tilbagelagt en ufattelig lang rejse gennem det kosmiske rum, svækket sig og bøjet sig om tidens og rummets krummede struktur. Forskerne bag MeerKAT-projektet betragter denne gigamaser fra HATLAS som et af de mest ekstreme radiosignaler, der nogensinde er registreret på så stor afstand.
Galaksekollisioner frem for kosmiske sendere
I modsætning til fantasifulde hypoteser handler det hverken om en besked fra en fremmed civilisation eller en isoleret stjerne i sin dødskamp. Analysen peger på en dramatisk begivenhed i langt større målestok — sammenstødet mellem to massive galakser i HATLAS-systemet. Begge var tæt pakkede med gas, hvilket viste sig at være afgørende.
Under en sådan kollision, der strækker sig over mange millioner år, komprimeres og hvirvles gigantiske gasskyer voldsomt rundt. I dette tilfælde stødte hundredvis af billioner molekyler af det såkaldte hydroxylradikal — bestående af et ilt- og et brintatom — ind i meget specifikke fysiske betingelser. Forskere fra University of Cambridge og andre institutioner bekræftede, at OH-molekylerne kan gå over i en tilstand med højere energi.
Dette fænomen, kaldet population inversion, får hvert enkelt molekyle til at opføre sig som et miniaturereservoir af energi. Ét enkelt impuls er nok til at udløse udsendelsen af den lagrede energi i form af radiofotoner. Når den første radiofoton opstår i et sådant gasskridt, kan den tvinge nabomolekyler til at udsende identiske fotoner.
Sådan opstår en kosmisk maser
Gradvist opstår der en lavinelignende effekt, som fysikere allerede beskrev detaljeret i 1960’erne. Princippet minder om laseren i hverdagsteknologi — processen foregår trin for trin:
- Det første OH-molekyle udsender en foton på en bestemt frekvens
- Denne foton stimulerer nabomolekyler 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 udligne hinanden som i en kaotisk kilde, forstærker de hinanden gensidigt
- Gasskyen omdannes til en naturlig mikrobølgeforstærker
- Energien koncentreres i en smal stråle, der bevæger sig i én retning
Resultatet er en usædvanligt ordnet stråle, hvor alle bølger er i fuldkommen overensstemmelse. I stedet for at ophæve hinanden som i en kaotisk kilde forstærker de hinanden. Det er præcis det, der omdanner en gassky til en naturlig mikrobølgeforstærker — en maser. Den kaotiske sky opfører sig som en kosmisk mikrobølgelaser med energien koncentreret i en smal stråle.
Dobbelt forstærkning — kvantefysik og gravitationslinse
I HATLAS-systemet er molekylernes fysik imidlertid ikke hele historien. Undervejs mødte signalet en massiv galakse, hvis tyngdekraft lokalt krummede rumtiden. Den virkede som en enorm linse, der samlede og forstærkede de passerende radiobølger. Forskere fra Jodrell Bank Observatory bekræftede, at denne gravitationslinseeffekt i væsentlig grad bidrog til, at fænomenet overhovedet kunne observeres.
En gravitationslinse kræver intet teknisk udstyr — det eneste, der er nødvendigt, er stor masse. Set fra en jordbaseret observatør minder effekten om at se en fjern lampe gennem en linse — billedet bliver klarere og til tider forvrænget. Til MeerKAT ankom altså et signal, der først var forstærket på kvanteniveau og dernæst 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 op til hundredgange sammenlignet med, hvad der ville kunne observeres uden den mellemliggende galakse.
Lysstyrken svarende til 300.000 sole i ét smalt bånd
Forskerne beregnede, at gigamaseren fra HATLAS havde en lysstyrke svarende til cirka 300.000 sole. Det er dog vigtigt at forstå denne værdi korrekt. Der er ikke tale om energi spredt over hele strålingsspektret, men om dens koncentration i et ekstremt smalt frekvensbånd knyttet til bestemte energiovergangslinjer i OH-molekylerne.
Hvert molekyletype har sit eget sæt tilladte overgange mellem energiniveauer og dermed karakteristiske frekvenser, som det kan udsende eller absorbere fotoner ved. For hydroxylradikalet er det præcis de linjer, der er synlige i masersignalet. Takket være dette spredes hele effekten ikke til andre bølgelængder, og energikoncentrationen giver emissionen mulighed for at trænge frem over baggrundsstøjen selv fra enorme afstande.
For MeerKAT var det blot et svagt puls i den kosmiske støj — og alligevel svarede maserens lysstyrke på udspringsstedet til hundredtusinder af solagtige stjerner. I milliarder af år svækkedes signalet og snoede sig igennem et tæt net af gravitationsfelter og magnetfelter, men bevarede nok energi til at nå frem til Jordens instrumenter. Det er en imponerende prøve på nutidens radioastronomis kapacitet.
Hvad bruger forskerne sådanne masere til?
Gigamasere er ikke blot en kosmisk kuriositet i kategorien af spektakulære opdagelser. De fungerer som praktiske 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 ved hjælp af præcise molekylære linjefrekvenser
- Verificere, hvordan stjernedannelsesaktiviteten har ændret sig gennem universets historie
- Kortlægge fordelingen af hydroxylradikaler
- Studere gassskyers dynamik under kollisioner
Masere fungerer altså som en slags fyrtårne, der signalerer områder, hvor noget energetisk intenst foregår — selv om de selv blot er en sideeffekt af disse processer. De giver mulighed for at rekonstruere forløbet af spektakulære begivenheder som galaksekollisioner uden at skulle observere dem i realtid.
Hvad fortæller gigamasere 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 gennemsøge en langt større del af himlen med høj opløsning. Jo flere gigamasere der lykkes at registrere, desto bedre kan forskerne rekonstruere historien om galaksefusioner, tempoet i stjernedannelse og gasens rolle i disse processer.
Det påvirker til gengæld modellerne for store kosmiske strukturers udvikling, fra individuelle galakser til enorme superclustre. For dem, der interesserer sig for sensor-, signal- eller kommunikationsteknologi, er et sådant tilfælde en fascinerende lektion — universet anvender på naturlig vis principper, som vi i laboratorier forsøger at efterligne med lasere, forstærkere og frekvensfiltre.
Masere viser, hvordan et smalt bånd og en perfekt fasekohærens kan omdanne en almindelig gassky til en kraftfuld sender, der er synlig fra milliarder af lysår væk. Det rejser et nysgerrigt spørgsmål: hvilke andre naturlige processer i universet venter stadig på at blive opdaget — og hvilke teknologiske inspirationer vil vi hente fra dem i de kommende årtier?
