Ett radioteleskop i Sydafrika fångade en signal från miljarder år tillbaka

En kraftfull signal från en avlägsen vrå av universum nådde nyligen fram till instrumenten på jorden – och den liknar förvånansvärt mycket en laserstråle från det djupa rymden. Signalen härstammar från en tid som ligger miljarder år tillbaka.

Forskare tolkar denna signal som en så kallad gigamaser – en ovanligt kraftfull radiokälla som uppstår när två galaxer kolliderar. Det är ett av de mest extrema fenomen av sitt slag som någonsin registrerats av instrument på jorden.

Inte en laser, utan en maser – vad MeerKAT faktiskt uppfångade

Vid första anblicken kan man föreställa sig en kosmisk laser. Men astronomerna talar faktiskt om en maser – ett fenomen som påminner mycket om en laser, men som verkar i ett annat våglängdsområde. En laser producerar en ordnad stråle av fotoner i synligt ljus, medan en maser sänder ut fotoner med mikrovågsfrekvens. När en sådan källa lyser med extraordinär intensitet använder forskarna beteckningen gigamaser.

Exakt det är fallet här. Signalen kom från ett system betecknat som HATLAS J142935.3–002836, som befinner sig cirka 8 miljarder ljusår från jorden. Det betyder att vi observerar ett fenomen som ägde rum när universum bara var omkring 5,8 miljarder år gammalt.

Radioteleskopet MeerKAT i Sydafrika uppfångade ett mycket smalt frekvensband med enorm klarhet. Innan signalen nådde jorden hade den tillryggalagt en otänkbart lång väg genom det kosmiska rymden, försvagad och på sitt sätt reflekterad av den krokiga rumtidsstrukturen som massa deformerar. Forskarna från MeerKAT-projektet anser denna gigamaser från HATLAS-systemet vara en av de mest extrema radiosignalerna som någonsin registrerats från så stort avstånd.

Galaxkollisioner i stället för kosmiska sändare

Det finns inga fantastiska förklaringar här – det handlar varken om ett meddelande från en främmande civilisation eller en ensam stjärna i sin dödskamp. Analysen pekar på en dramatisk händelse av långt större skala: en kollision mellan två massiva galaxer i HATLAS-systemet. Båda galaxerna var tätt packade med gas, vilket visade sig vara avgörande.

Under en sådan kollision, som sträcker sig över många miljoner år, komprimeras och virvlas gigantiska gasformiga moln våldsamt runt. I detta fall stötte biljoner hydroxylradikaler – molekyler sammansatta av en syre- och en väteatom – på mycket specifika fysiska betingelser. Forskare från University of Cambridge och andra institutioner som undersökte fenomenet bekräftade att OH-molekylerna kan övergå till ett tillstånd med högre energi.

Detta fenomen, kallat populationsinversion, gör att varje enskild molekyl uppför sig som en miniatyr energireservoar. En enda impuls räcker för att frigöra denna energi i form av radiofotoner. När den första radiofotonen uppträder i ett sådant moln kan den tvinga närliggande molekyler att sända ut ytterligare fotoner.

Så uppstår en kosmisk maser

Gradvis uppstår en lavinliknande effekt som fysiker beskrev detaljerat redan på 1960-talet. Principen liknar den vi känner från lasrar i vardagsteknologi – bara med mikrovågor i stället för synligt ljus.

Den första OH-molekylen sänder ut en foton på en bestämd frekvens
Denna foton stimulerar närliggande molekyler att sända ut identiska fotoner
Ytterligare molekyler gör detsamma och förstärker signalen i en riktning
Alla vågor sammansätts i samma fas
I stället för att släcka varandra som i en kaotisk källa förstärker de varandra
Gasmolnet omvandlas till en naturlig mikrovågsförstärkare
Energin koncentreras i en smal stråle som rör sig i en riktning

Resultatet är en extremt ordnad stråle där alla vågor svänger i samma fas. Det är exakt det som omvandlar ett kaotiskt gasmoln till en naturlig mikrovågsförstärkare – en maser. Ett till synes oordnat moln av gas börjar fungera som en kosmisk mikrovågslaser med energi koncentrerad i en smal stråle.

Dubbel förstärkning – kvantfysik och gravitationslins

I fallet med HATLAS-systemet är molekylärfysiken inte hela historien. Under sin resa stötte signalen på en massiv galax vars tyngdkraft lokalt deformerade rumtiden. Den verkade som en jättelik lins och koncentrerade samt förstärkte de passerande radiovågorna. Forskare från Jodrell Bank Observatory bekräftade att denna gravitationslinseffekt bidrog väsentligt till fenomenets observerbarhet.

En gravitationslins kräver ingen teknisk utrustning – bara stor massa. Från en jordbaserad observatörs synvinkel påminner effekten om att betrakta en avlägsen lampa genom en optisk lins: bilden blir klarare och ibland förvrängd. Den signal som nådde MeerKAT var alltså först förstärkt på kvantnivå och därefter ytterligare förstärkt av universums geometri.

Utan denna dubbla förstärkning skulle emissionen ha varit omöjlig att registrera med våra instrument. Astronomer från det sydafrikanska radioobservatoriet beräknade att kombinationen av masereffekten och gravitationslinseffekten uppenbarligen ökade signalens ljusstyrka med upp till hundra gånger jämfört med vad som skulle ha varit observerbart utan den mellanliggande galaxen.

Ljusstyrkan motsvarande 300 000 solar i ett smalt frekvensband

Forskarna beräknade att gigemasern från HATLAS hade en ljusstyrka motsvarande cirka 300 000 solar. Det är dock viktigt att förstå detta värde korrekt. Det handlar inte om energi spridd över hela strålningsspektret, utan om energi koncentrerad i ett extremt smalt frekvensband knutet till bestämda energiövergångslinjer hos OH-molekylerna.

Varje molekyltyp har sitt eget set av tillåtna övergångar mellan energinivåer och därmed karakteristiska frekvenser på vilka den kan sända ut eller absorbera fotoner. För hydroxylradikalen är det just de linjer som är synliga i masersignalen. Tack vare detta sprids all effekt inte till andra våglängder, och energikoncentrationen gör det möjligt för emissionen att skilja sig från bakgrundsbruset även från enorma avstånd.

För MeerKAT var det bara en svag impuls i det kosmiska bruset – trots att masern i sitt ursprung brann med en ljusstyrka motsvarande hundratusentals solliknande stjärnor. Efter miljarder år var signalen försvagad och filtrerad genom täta nätverk av gravitationella och magnetiska fält, men den bevarade tillräckligt med energi för att nå instrumenten på jorden. Det är ett imponerande prov på nutida radioastronomis möjligheter.

Vad forskarna använder gigamasrar till

Gigamasrar är inte bara en kosmisk kuriositet i kategorin anmärkningsvärda upptäckter. De fungerar som bekväma markörer i utforskningen av avlägsna delar av universum. Tack vare dem kan astronomer:

Spåra platser med intensiva galaxkollisioner och fusioner
Undersöka fördelningen och tätheten av interstellär gas i avlägsna epoker
Mäta kosmiska avstånd med precisa frekvenser från molekylära linjer
Verifiera hur stjärnbildningsaktiviteten har förändrats i universums historia
Kartlägga fördelningen av hydroxylradikaler
Studera dynamiken i gasformiga moln under kollisioner

Masrar fungerar alltså som en sorts fyrtorn som signalerar områden där något energimässigt intensivt äger rum – även om de själva bara är en biprodukt av dessa processer. De ger möjlighet att rekonstruera förloppet av spektakulära händelser som galaxkollisioner utan att behöva observera dem i realtid. Forskare från European Southern Observatory anser dessa fynd vara avgörande för förståelsen av stora kosmiska strukturers evolution.

Vad gigamasrar berättar om radioastronomins framtid

Med tiden kommer MeerKAT att bli en del av ett ännu större projekt – ett nätverk av radioteleskop känt som Square Kilometre Array. Sådana instrument kommer att göra det möjligt att uppfånga ännu svagare signaler och avläsa en långt större del av himlen med hög upplösning. Ju fler gigamasrar som registreras, desto bättre kan forskarna rekonstruera historien om galaxfusioner, tempot för stjärnbildning och gasens roll i dessa processer.

Det har igen inflytande på modellerna för stora kosmiska strukturers evolution – från enskilda galaxer till enorma superkluster. För alla med intresse för sensor-, signal- och kommunikationsteknik är ett sådant fall en fascinerande lektion: universum utnyttjar på naturlig väg principer som vi i laboratorier försöker efterlikna med lasrar, förstärkare och frekvensfilter.

Masrar demonstrerar hur ett smalt frekvensband och perfekt fasmässig överensstämmelse kan omvandla ett vanligt gasmoln till en kraftfull sändare som är synlig från miljarder ljusår. Det väcker frågan vilka andra naturliga processer i universum som ännu väntar på att upptäckas – och vilken teknologisk inspiration vi kommer att hämta från dem under de kommande årtiondena.