En radiosignal från universums barndom

Ett radioteleskop i Sydafrika har fångat upp en enorm signal från en tid flera miljarder år tillbaka — en signal som påminner om en laserstråle från ett avlägset hörn av universum.

Forskare tolkar denna signal som en så kallad gigamaser, en ovanligt kraftfull radiokälla som uppstår vid kollisioner mellan två galaxer. Det är ett av de starkaste fenomen i sitt slag som jordbaserade instrument någonsin har registrerat.

Sådana observationer är långt mer än en kuriositet för astronomerna. Gigamasrar fungerar som unika markörer i avlägsna delar av kosmos, vilket hjälper till att kartlägga områden med intensiva galaxkollisioner och mäta kosmiska avstånd med större precision. De ger oss ett fönster in i universums tidiga utveckling.

Inte en laser, utan en maser — vad MeerKAT faktiskt fångade

Vid första anblicken kunde man tänka sig en kosmisk laser. Men astronomerna talar faktiskt om en maser, ett fenomen som liknar lasern mycket, men verkar i ett annat våglängdsområde. En laser producerar en fokuserad stråle av fotoner i synligt ljus, medan en maser arbetar med fotoner på mikrovågsfrekvenser.

När en sådan källa sänder ut extraordinärt kraftfullt använder forskarna beteckningen gigamaser. Det är precis vad vi har att göra med här. Signalen kom från ett system betecknat som HATLAS J142935.3–002836, beläget cirka 8 miljarder ljusår från jorden. Det betyder att vi ser ett fenomen som ägde rum när universum bara var ungefär 5,8 miljarder år gammalt.

Radioteleskopet MeerKAT i Sydafrika fångade ett mycket smalt frekvensband, men med en gigantisk ljusstyrka. Innan signalen nådde jorden hade den tillryggalagt en otroligt lång resa genom det kosmiska rymden, gradvis försvagad och på sitt sätt böjd av rumtiden, som är krökt av materia.

Gigamasern från systemet HATLAS hör till bland de mest extrema radiosignaler som registrerats på så stort avstånd från jorden. För forskarna är det en ovärderlig insikt i de processer som formade det tidiga universum.

Galaxkollisioner — inte kosmiska sändare

Trots fantasifulla hypoteser rör det sig varken om ett meddelande från en främmande civilisation eller en ensam stjärna i sina dödsryckningar. Analysen pekar på en dramatisk händelse i långt större skala: en kollision mellan två massiva galaxer i systemet HATLAS. Båda var starkt gasmättade, vilket visade sig vara avgörande.

Under en sådan kollision, som sträcker sig över många miljoner år, utsätts enorma gasmoln för kompression och våldsam turbulens. I detta fall hamnade miljoner miljarder molekyler av den så kallade hydroxylradikalen OH — sammansatt av en syreatom och en väteatom — under mycket specifika fysiska betingelser.

OH-molekyler kan övergå till ett tillstånd med högre energi, ett fenomen kallat populationsinversion. I det tillståndet fungerar varje enskild molekyl som en mikroreservoar av energi. En enda impuls räcker för att få dem att sända ut denna energi i form av radiofotoner.

När den första radiofotonen uppstår i ett sådant moln kan den tvinga närliggande molekyler att sända ut identiska fotoner. Steg för steg uppstår därmed en lavineffekt som omvandlar det kaotiska gasmolnet till en naturlig mikrovågsförstärkare.

Så föds en kosmisk maser

Den första OH-molekylen sänder ut en foton vid en bestämd frekvens. Denna foton stimulerar grannmolekyler att sända ut identiska fotoner, som i sin tur stimulerar andra molekyler — och signalen förstärks i en bestämd riktning. Resultatet är en ovanligt välordnad stråle där alla vågor är i samma fas.

I stället för att upphäva varandra som i en kaotisk källa förstärker de varandra ömsesidigt. Det är precis det som omvandlar gasmolnet till en naturlig mikrovågsförstärkare — alltså en maser. Processen påminner om principerna bakom vanliga lasrar, men äger rum vid mikrovågsfrekvenser.

Det kaotiska gasmolnet uppför sig som en kosmisk mikrovågslaser, där energin koncentreras i en smal stråle som rör sig i en riktning. Utan denna effekt skulle signalen ha varit för svag för att jordbaserade instrument skulle kunna fånga den.

Forskare från olika observatorier har i många år studerat dessa fenomen, eftersom de ger unik information om den kemiska sammansättningen av interstellär gas och dynamiken i kolliderande galaxer. Hydroxylradikalmolekyler fungerar som perfekta indikatorer för de fysiska förhållandena på platser med intensiv stjärnbildning.

Dubbel förstärkning — kvantfysik och gravitationslins

I fallet med systemet HATLAS är dock molekylernas fysik inte allt. På sin resa stötte signalen på en massiv galax vars tyngdkraft lokalt deformerade rumtiden. Den verkade som en gigantisk lins som koncentrerade och förstärkte de passerande radiovågorna.

En så kallad gravitationslins kräver ingen utrustning — bara stor massa. Sett från en observatör på jorden påminner effekten om att betrakta en avlägsen lampa genom en optisk lins: bilden blir ljusare och ibland förvrängd.

Till teleskopet MeerKAT anlände alltså en signal som först förstärktes på kvantnivå och därefter ytterligare förstärktes av kosmos geometri. Utan denna dubbla förstärkning skulle emissionen ha varit otillgänglig för våra instrument.

Forskare från University of Cape Town och andra institutioner understryker att gravitationslinseffekten gör det möjligt att studera objekt som annars skulle vara för svaga eller för avlägsna. Detta fenomen förutsades första gången av Albert Einstein i hans allmänna relativitetsteori och används idag som ett rutinverktyg inom radioastronomi.

Ljusstyrkan motsvarande 300 000 solar i ett smalt frekvensband

Forskarna beräknade att gigamasern från HATLAS hade en ljusstyrka motsvarande omkring 300 000 solar. Det är dock viktigt att förstå detta värde korrekt. Det rör sig inte om energi spridd över ett brett strålningsspektrum, utan om en koncentration i ett extraordinärt smalt frekvensband knutet till bestämda energiövergångar i OH-molekylerna.

Varje molekyltyp har sin egen uppsättning av tillåtna övergångar mellan energinivåer och därmed karaktäristiska frekvenser vid vilka den kan sända ut eller absorbera fotoner. För hydroxylradikalen är det just dessa linjer som syns i masersignalen. Tack vare detta fördelas den totala effekten inte över andra våglängder, och energikoncentrationen säkerställer att emissionen även från enormt avstånd sticker ut över bakgrundsbruset.

För teleskopet MeerKAT var det en svag signal i det kosmiska bruset — även om masern vid sin utgångspunkt hade en ljusstyrka motsvarande hundratusentals solliknande stjärnor. Genom miljarder år försvagades signalen och kämpade sig igenom ett virr av gravitationsfält och magnetfält, men bevarade ändå tillräcklig styrka för att nå instrumenten på jorden.

Det är en imponerande demonstration av den moderna radioastronomins förmåga. Att detektera så avlägsna och relativt smalbandiga källor kräver extremt känsliga antenner och avancerad databehandling som filtrerar signalen från en enorm mängd interferens.

Vad använder forskarna sådana masrar till?

Gigamasrar är inte bara en kosmisk wow-faktor. De spelar rollen som bekväma markörer i utforskandet av avlägsna delar av universum. Tack vare dem kan astronomerna:

Kartlägga platser med intensiva galaxkollisioner och -fusioner
Undersöka fördelningen och tätheten av interstellär gas i avlägsna epoker
Mäta kosmiska avstånd mer exakt med hjälp av molekylära linjefrekvenser
Kartlägga hur stjärnbildningsaktiviteten har förändrats genom universums historia

Masrar fungerar som en slags fyrtorn som signalerar områden med energiintensiva processer — även om de i sig själva bara är en biprodukt av dessa processer. Tack vare dem kan man rekonstruera förloppet av spektakulära händelser som galaxkollisioner, utan att man behöver observera dem i realtid.

Forskare från radioobservatorier världen över katalogiserar systematiskt dessa källor och bygger upp databaser som hjälper till att kartlägga universums struktur i olika kosmiska epoker. Varje nyupptäckt gigamaser lägger till en bit i pusslet om galaxernas evolution.

Gigamasrar och radioastronomins framtid

Med tiden kommer MeerKAT att bli en del av ett ännu större projekt — ett radioteleskopnätverk känt som Square Kilometre Array. Sådana instrument kommer att göra det möjligt att fånga upp ännu svagare signaler och genomsöka en långt större del av himlen med hög upplösning.

Ju fler gigamasrar som lyckas registreras, desto bättre kan forskarna rekonstruera historien om galaxfusioner, takten för stjärnbildning och gasens roll i dessa processer. Det påverkar i sin tur modellerna för stora kosmiska strukturers evolution, från enskilda galaxer till enorma superhopar.

För den som intresserar sig för sensor- och signalteknik eller kommunikation är ett sådant fall en fascinerande läxa. Universum utnyttjar naturligt principer som vi i laboratorier försöker efterlikna med lasrar, förstärkare och frekvensfilter. Masrar visar hur ett smalt band och perfekt faskoherens kan förvandla ett ordinärt gasmoln till en kraftfull sändare, synlig från miljarder ljusår.