Et radioteleskop i Sydafrika fangede et ekstraordinært signal fra fortiden
Et radioteleskop i Sydafrika opsnappede for nylig et enormt signal, der stammer fra milliarder af år tilbage i tiden. Det ligner et laserskud affyret fra et fjerntliggende hjørne af universet.
Forskere har tolket dette signal som en såkaldt gigamaser – en usædvanligt kraftfuld radiokilde, der opstår, når to galakser støder sammen. Det er et af de mest intense fænomener af sin art, som jordbaserede instrumenter nogensinde har registreret.
Den slags observationer er langt fra blot en kuriositet for astronomer. Gigamasere fungerer som unikke markører i fjerne dele af kosmos, der hjælper forskerne med at kortlægge områder præget af intense galaksekollisioner og med større præcision måle kosmiske afstande. De giver os et dybere indblik i, hvordan universet udviklede sig, da det var langt yngre end i dag.
Ikke en laser, men en maser – hvad fangede teleskopet MeerKAT egentlig?
Ved første øjekast kunne man forestille sig en kosmisk laser. Men astronomer taler faktisk om en maser, der er et meget beslægtet fænomen, blot med en afgørende forskel: En laser producerer et fokuseret strålebundt af fotoner i synligt lys, mens en maser arbejder med fotoner i mikrobølgefrekvenser.
Når sådan en kilde udsender ekstraordinært kraftig stråling, bruger forskerne betegnelsen gigamaser. Og det er præcis, hvad vi har med at gøre her. Signalet kom fra systemet HATLAS J142935.3–002836, cirka 8 milliarder lysår fra Jorden. Det betyder, at vi ser et fænomen, der fandt sted, da universet kun var omkring 5,8 milliarder år gammelt.
Radioteleskopet MeerKAT i Den Sydafrikanske Republik registrerede et meget smalt frekvensbånd, men med en gigantisk lysstyrke. Inden signalet nåede frem til Jorden, havde det rejst gennem det kosmiske rum i en ufattelig lang periode, gradvist svækket sig og på sin vis reflekteret af et rum-tid, der er krum af masse.
Gigamaseren fra HATLAS-systemet hører til blandt de mest ekstreme radiosignaler, der nogensinde er registreret på så stor en afstand fra Jorden. For forskerne repræsenterer den et værdifuldt vindue ind i de processer, der formede det tidlige univers.
Galaksekollisioner – ikke kosmiske sendestationer
På trods af fantasifulde spekulationer er der hverken tale om en besked fra en fremmed civilisation eller en ensom stjerne i sin dødskamp. Analysen peger på en dramatisk begivenhed af langt større omfang: 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, udsættes enorme gasskyer for kompression og voldsom turbulens. I dette tilfælde befandt billioner af molekyler af den såkaldte hydroxylradikal OH – sammensat af et iltaom og et hydrogenatom – sig under meget specifikke fysiske betingelser.
OH-molekyler kan løftes til en tilstand med højere energi, et fænomen kaldet populationsinversion. I denne tilstand fungerer hvert enkelt molekyle som et mikroskopisk energireservoir. Et enkelt impulsskud er nok til, at de begynder at udsende denne energi i form af radiofoton.
Når den første radiofoton opstår i en sådan sky, kan den tvinge nærliggende molekyler til at udsende identiske fotoner. Skridt for skridt opstår der dermed en lavinelignende effekt, der forvandler en kaotisk gassky til en naturlig mikrobølgeforstærker.
Sådan fødes en kosmisk maser
Det første OH-molekyle udsender en foton med en bestemt frekvens. Den foton stimulerer naboer til at udsende identiske fotoner, og processen gentager sig i en kædereaktion, der forstærker signalet i én retning. Resultatet er et bemærkelsesværdigt organiseret strålebundt, hvor alle bølger er i fuldstændig fase med hinanden.
I stedet for at udslette hinanden – som det sker med kaotiske kilder – forstærker bølgerne hinanden. Det er netop det, der forvandler gasskyen til en naturlig mikrobølgeforstærker, altså en maser. Processen minder om principperne bag almindelige lasere, blot på mikrobølgefrekvenser.
Den kaotiske gassky opfører sig som en kosmisk mikrobølgelaser: energien koncentreres i et smalt strålebundt, der bevæger sig i én bestemt retning. Uden denne effekt ville signalet have været alt for svagt til, at instrumenter på Jorden kunne registrere det.
Forskere fra observatorier verden over har i årevis studeret disse fænomener, fordi de giver unikke oplysninger om den kemiske sammensætning af interstellar gas og dynamikken i kollisionsgalakser. Hydroxylradikalens molekyler fungerer som perfekte indikatorer for de fysiske betingelser i områder med intens stjernedannelse.
Dobbelt forstærkning – kvantefysik møder gravitationslinse
I tilfældet med HATLAS-systemet er molekylernes fysik dog ikke hele historien. Under sin rejse stødte signalet på en massiv galakse, hvis tyngdekraft lokalt deformerede rum-tid. Den virkede som en gigantisk linse, der samlede og forstærkede de passerende radiobølger.
En såkaldt gravitationslinse kræver intet udstyr – blot tilstrækkelig masse. Set fra en observatør på Jorden minder effekten om at betragte en fjern lampe gennem en optisk linse: billedet bliver klarere og til tider også forvrænget.
MeerKAT modtog altså et signal, der først var forstærket på kvanteniveau og derefter yderligere amplificeret af kosmossens geometri. Uden denne dobbelte forstærkning ville emissionen have været uopnåelig 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 alt for svage eller fjerne. Fænomenet blev første gang forudsagt af Albert Einstein inden for rammerne af den generelle relativitetsteori og bruges i dag som et rutinemæssigt redskab i radioastronomi.
Lysstyrken svarende til 300.000 sole koncentreret i ét smalt bånd
Forskerne beregnede, at gigamaseren fra HATLAS havde en lysstyrke svarende til ca. 300.000 sole. Men det er vigtigt at forstå, hvad det præcis betyder. Der er ikke tale om energi spredt over hele strålingsspektret, men om en koncentration i et ekstremt smalt frekvensbånd knyttet til bestemte energioverganage i OH-molekylerne.
Hvert molekyletype har sit eget sæt af tilladte overgange mellem energiniveauer og dermed karakteristiske frekvenser, som det kan udsende eller absorbere fotoner ved. For hydroxylradikalen er det netop disse linjer, der er synlige i masersignalet. Fordi hele effekten ikke spredes over andre bølgelængder, sørger energikoncentrationen for, at emissionen trænger igennem baggrundsstøjen selv fra enorme afstande.
For MeerKAT var det blot et svagt signal i den kosmiske støj – selv om maserens lysstyrke ved dens oprindelse svarede til hundredtusinder af stjerner som vores sol. I milliarder af år svækkedes signalet, snørede sig gennem tætte gravitationelle og magnetiske felter, men bevarede tilstrækkelig styrke til at nå frem til instrumenterne på Jorden.
Det er en imponerende prøve på nutidens radioastronomi. Detektion af så fjerne og relativt smalspektrede kilder kræver ekstremt følsomme antenner og avanceret databehandling, der filtrerer signalet ud fra enorme mængder interferens.
Hvad bruger forskerne disse masere til?
Gigamasere er ikke blot kosmiske kurioser i kategorien “wow”. De spiller rollen som praktiske markører i udforskningen af fjerne dele af universet. Takket være dem kan astronomer:
- kortlægge steder med intense galaksekollisioner og -fusioner
- undersøge fordelingen og tætheden af interstellar gas i fjerne epoker
- måle kosmiske afstande mere præcist via molekylliniers nøjagtige frekvenser
- kortlægge, hvordan stjernedannelsesaktiviteten har ændret sig gennem universets historie
Masere fungerer således som en slags fyrtårne, der markerer områder med energiintense processer – selv om de selv blot er et biprodukt af disse processer. Takket være dem kan man rekonstruere forløbet af spektakulære hændelser som galaksekollisioner, uden at det er nødvendigt at observere dem i realtid.
Forskere ved 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 et brik til puslespillet om galaksernes evolution.
Gigamasere og fremtiden for radioastronomi
Med tiden vil MeerKAT blive en del af et endnu større projekt – det radioteleskopnetværk, der er kendt som Square Kilometre Array. Sådanne instrumenter vil gøre det muligt at registrere endnu svagere signaler og afsøge 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 gassenss rolle i disse processer. Det påvirker til gengæld modellerne for evolutionen af store kosmiske strukturer – fra enkeltgalakser til enorme superkupler.
For dig, der interesserer dig for sensorteknologi, signaler eller kommunikation, er et sådant tilfælde en fascinerende lektion. Universet udnytter naturligt de samme 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 gassky til en kraftfuld sender, synlig fra milliarder af lysår.
