En kosmisk signal från det förflutna

Ett radioteleskop i Sydafrika har fångat upp en kraftfull emission från en tid miljarder år tillbaka — en signal som påminner om ett laserskott från ett avlägset hörn av universum. Forskare har identifierat den som en gigamaser, en extremt potent radiokälla formad under kollisionen mellan två galaxer.

Det rör sig inte om en laser, utan en maser — principen är liknande, men skillnaden finns i våglängderna. Medan en laser avger en fokuserad stråle av fotoner i synligt ljus, arbetar en maser med fotoner i mikrovågsfrekvenser. När en sådan källa strålar med ovanlig intensitet använder forskare beteckningen gigamaser. Och det är exakt vad vi har att göra med här.

8 miljarder ljusår bort — en glimt av det unga universum

Signalen kom från ett system som kallas HATLAS J142935.3–002836, beläget omkring 8 miljarder ljusår från jorden. Det innebär att vi observerar en händelse som ägde rum när universum bara var 5,8 miljarder år gammalt. Radioteleskopet MeerKAT i Sydafrika registrerade ett extremt smalt frekvensband med enorm ljusstyrka.

Innan signalen nådde jorden hade den färdats genom det kosmiska rymden under en ofattbart lång tid — gradvis försvagad och på sitt sätt reflekterad av rymdtidens krökta struktur. Att den överhuvudtaget kunde detekteras är anmärkningsvärt i sig.

Galaxkollision snarare än kosmisk sändare

Trots fantasifulla föreställningar är detta varken ett meddelande från en främmande civilisation eller en döende stjärna. Analysen pekar på en dramatisk händelse i betydligt större skala: en kollision mellan två massiva galaxer i systemet HATLAS. Båda galaxerna var tätt packade med gas — och det visade sig vara avgörande.

Under en sådan kollision, som sträcker sig över många miljoner år, komprimeras och störs enorma gasmoln våldsamt. I detta fall hamnade biljoner molekyler av hydroxylradikalen (OH) — bestående av en syre- och en väteatom — under mycket specifika fysiska förhållanden.

OH-molekyler kan bringas till ett tillstånd med förhöjd energi, kallat populationsinversion. I det tillståndet fungerar varje molekyl som ett litet energilager. En impuls räcker, och den börjar avge energi som radiofrekventa fotoner. När den första fotonen uppstår i molnet kan den tvinga närliggande molekyler att avge identiska fotoner — och en lavineffekt tar sin början.

Hur en kosmisk maser uppstår

Det kaotiska gasmolnet börjar bete sig som en kosmisk mikrovågslaser. Energi koncentreras i en smal stråle som rör sig i en riktning. Den första OH-molekylen avger en foton vid en bestämd frekvens, denna foton stimulerar grannarna att avge identiska fotoner, och processen förstärker sig själv i en riktning.

Resultatet är en remarkabelt ordnad stråle där alla vågor är i fas. I stället för att utjämna varandra som i en kaotisk källa förstärker de varandra. Det är precis detta som omvandlar ett gasmoln till en naturlig mikrovågsförstärkare — alltså en maser.

Varje molekyltyp har sitt eget set av tillåtna energinivåövergångar och därmed karakteristiska frekvenser. För hydroxylradikalen är det just de spektrallinjerna som syns i masersignalen. Eftersom all energi koncentreras i ett smalt band tränger emissionen igenom bakgrundsbruset även från enorma avstånd.

Dubbel förstärkning: kvantfysik och gravitationslins

För forskarna bakom MeerKAT var det bara en svag darrning i det kosmiska bruset — trots att masern i sitt ursprung lyste motsvarande omkring 300 000 solar. Under miljarder år försvagades signalen och vecklades in i ett nät av gravitationella och magnetiska fält, men bevarade tillräcklig styrka för att nå instrumenten på jorden.

Forskarna upptäckte dessutom att fenomenet ytterligare förstärktes på vägen. Signalen stötte på en massiv galax vars tyngdkraft lokalt förvränger rumtiden. Denna galax fungerade som en gigantisk gravitationslins som fokuserade och förstärkte de passerande radiovågorna.

En sådan gravitationslins kräver ingen utrustning — endast stor massa. Från en jordbaserad observatörs synvinkel påminner effekten om att se en avlägsen ljuskälla genom en optisk lins: bilden blir tydligare och ibland förvrängd. Det som nådde MeerKATs antenner var därför en signal som först förstärktes på kvantnivå och sedan ytterligare stöttades av universums geometri.

Utan denna dubbla förstärkning skulle emissionen ha varit fullständigt otillgänglig för våra instrument. Sydafrikanska forskare i samarbete med kollegor från olika institutioner lyckades tack vare precisa mätningar av de karakteristiska frekvenserna bekräfta signalens ursprung i systemet HATLAS.

Vad används gigamasrar till i forskningen?

Gigamasrar spelar en viktig roll i studiet av avlägsna delar av universum. De fungerar som naturliga fyrtorn som markerar platser med intensiva galaxkollisioner och sammanslagningar — och det helt utan att man behöver observera dem i realtid.

Kartläggning av platser med intensiva galaxkollisioner och sammanslagningar
Undersökning av fördelningen och tätheten av interstellär gas i avlägsna epoker
Mer precis mätning av kosmiska avstånd med hjälp av molekylära spektrallinjer
Verifiering av förändringar i stjärnbildningsaktivitet genom universums historia
Studier av fysiska förhållanden i områden med extrem gaskompression
Test av modeller för gravitationslinseffekter över stora avstånd

Även om en maser kan verka exotisk är dess verkningssätt mycket likt det som används i vardagliga lasrar. I båda fallen handlar det om stimulerad emission av strålning, där fotoner uppmanar atomer eller molekyler att avge identiska fotoner. Skillnaden ligger främst i frekvens och skala.

Gigamasrar och framtiden för radioastronomi

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 möjliggöra registrering av ännu svagare signaler och täcka mycket större delar av himlen med hög upplösning.

Ju fler gigamasrar som registreras, desto bättre kan forskarna rekonstruera galaxernas fusionstakt, stjärnbildningshastigheten och gasens roll i dessa processer. Det påverkar i sin tur modellerna för utvecklingen av stora kosmiska strukturer — från enskilda galaxer till enorma superclusters.

Masrar visar hur ett smalt frekvensband och perfekt fasjustering kan omvandla ett ordinärt gasmoln till en kraftfull sändare, synlig från miljarder ljusår. Forskare från universitet och observatorier världen över fortsätter analysen av data från MeerKAT och förbereder framtida observationer som ska avslöja fler liknande objekt. Varje ny gigamaser ger värdefull insikt i de fysiska förhållandena i det tidiga universum och hjälper till att precisera de kosmologiska modellerna.