Ett radioteleskop i Sydafrika fångade ett enormt signal från miljarder år tillbaka
Föreställ dig en laserliknande blixt från ett avlägset hörn av universum – det är ungefär så forskare beskriver det de nyligen registrerade. Ett radioteleskop i Sydafrika fångade upp en gigantisk signal som rest genom rymden under ofattbart lång tid.
Vetenskapsmännen tolkar signalen som en så kallad gigamaser – en extremt ljusstark radiokälla som uppstår när två galaxer krockar med varandra. Det är en av de kraftfullaste händelserna av detta slag som jordbaserade instrument någonsin har registrerat.
Sådana observationer är inte bara en kuriositet för astronomer. Gigamasers fungerar som unika markörer i fjärran delar av kosmos och hjälper forskare att spåra intensiva galaxkollisioner samt mäta kosmiska avstånd med större precision. De ger oss också en djupare förståelse för hur universum såg ut när det var betydligt yngre än idag.
Inte en laser utan en maser – vad MeerKAT-teleskopet egentligen fångade
Vid första anblick kan man tänka på en kosmisk laser. Men astronomer talar om en maser – ett fenomen som liknar lasern men arbetar inom ett annat våglängdsområde. Medan en laser sänder ut en organiserad stråle av synliga ljusfotoner, arbetar en maser med mikrovågsfotoner.
När en sådan källa strålar ut med exceptionell styrka använder forskarna beteckningen gigamaser. Det är precis vad vi har att göra med här. Signalen kom från ett system kallat HATLAS J142935.3–002836, beläget ungefär 8 miljarder ljusår från jorden. Det innebär att vi ser en händelse som inträffade när universum bara var omkring 5,8 miljarder år gammalt.
Radioteleskopet MeerKAT i Sydafrika fångade upp ett mycket smalt frekvensband med gigantisk ljusstyrka. Innan signalen nådde jordens yta hade den färdats genom rymden under en närmast obegriplig tidsrymd, försvagats längs vägen och böjts av materia som kröker tidrummet.
Gigamasern från HATLAS-systemet räknas bland de mest extrema radiosignaler som registrerats på ett sådant avstånd. För forskarsamhället utgör den ett ovärderligt fönster mot de processer som formade det tidiga universum.
Galaxkrockar i stället för en kosmisk sändare
Trots fantasifulla spekulationer handlar det varken om meddelanden från en utomjordisk civilisation eller om en ensamstående stjärna i sin sista stund. Analysen pekar mot en dramatisk händelse av mycket större skala: en kollision mellan två massiva gasfyllda galaxer i HATLAS-systemet.
Under en sådan kollision, som sträcker sig över miljontals år, utsätts enorma gasmoln för kompression och kraftigt turbulens. I detta fall hamnade biljoner och åter biljoner molekyler av den så kallade hydroxylradikalen OH – uppbyggd av ett syreatom och ett väteatom – i mycket specifika fysikaliska förhållanden.
OH-molekylerna kan övergå till ett tillstånd med högre energi, ett fenomen som kallas populationsinversion. I det tillståndet fungerar varje molekyl som ett litet energilager. Det krävs bara en utlösare för att de ska börja avge den lagrade energin i form av radiovågsfotoner.
När den första radiovågsfotonen dyker upp i ett sådant moln kan den tvinga ut ytterligare fotoner från omkringliggande molekyler. Steg för steg uppstår en lavinartad effekt som förvandlar det kaotiska gasmolet till en naturlig mikrovågsförstärkare.
Hur en kosmisk maser föds
Processen är elegant i sin enkelhet. Den första OH-molekylen sänder ut en foton med en viss frekvens. Den fotonen stimulerar grannmolekylerna att sända ut identiska fotoner, som i sin tur påverkar fler molekyler och förstärker signalen i en och samma riktning.
Resultatet är en exceptionellt organiserad stråle där alla vågor sammanfaller i exakt samma fas – de förstärker varandra i stället för att störa varandra som i en kaotisk källa. Det är detta som förvandlar gasmolet till en naturlig mikrovågsförstärkare, det vill säga en maser. Principen liknar den du känner igen från vanliga lasrar, men sker vid mikrovågsfrekvenser.
Utan denna effekt skulle signalen ha förblivit alldeles för svag för att instrument på jorden skulle kunna fånga upp den. Det kaotiska gasmolet beter sig som en kosmisk mikrovågslazer – energin koncentreras till en smal stråle som skjutas iväg i en enda riktning.
Forskare vid observatorier runtom i världen studerar dessa fenomen systematiskt eftersom de ger unik information om kemisk sammansättning i rymdens gasmoln och dynamiken hos kolliderande galaxer. Hydroxylradikalernas molekyler fungerar som perfekta indikatorer på de fysikaliska förhållandena i områden med intensiv stjärnbildning.
Dubbel förstärkning – kvantfysik och gravitationslinser
I fallet HATLAS räcker inte molekylernas egen fysik som förklaring. På vägen mot oss stötte signalen på en massiv galax vars gravitation böjde det lokala tidrummet. Den verkade som en gigantisk lins som samlade och förstärkte de passerande radiovågorna.
En gravitationslins kräver ingen teknisk utrustning – enbart stor massa. För en betraktare på jorden liknar effekten att se en avlägsen lampa genom ett förstoringsglas: bilden blir ljusare och ibland förvrängd.
Till MeerKAT-teleskopet anlände därför en signal som först förstärkts på kvantnivå och sedan ytterligare förstärkts av universums geometri. Utan denna dubbla förstärkning hade utsläppet förblivit omöjligt att uppfatta med våra instrument.
Gravitationslinser förutsågs ursprungligen av Albert Einstein inom ramen för den allmänna relativitetsteorin och används idag som ett rutinmässigt verktyg inom radioastronomi. De gör det möjligt att studera objekt som annars skulle vara alltför svaga eller avlägsna.
Ljusstyrkan hos 300 000 solar koncentrerad till ett smalt frekvensband
Forskarna beräknade att gigamasern från HATLAS hade en ljusstyrka motsvarande ungefär 300 000 solar. Men det är viktigt att förstå vad det faktiskt innebär. Det rör sig inte om energi utspridd över hela strålningsspektrumet, utan om en koncentration inom ett extremt smalt frekvensband kopplat till bestämda energiövergångar i OH-molekylerna.
Varje typ av molekyl har sina egna tillåtna övergångar mellan energinivåer och därmed karakteristiska frekvenser för emission och absorption av fotoner. För hydroxylradikalen är det just dessa linjer som syns i masersignalen. Eftersom hela effekten inte sprids över andra våglängder tränger energikoncentrationen igenom bakgrundsbrus även från ett enormt avstånd.
För MeerKAT var det en subtil signal i det kosmiska bruset – trots att ljusstyrkan vid källan motsvarade hundratusentals solar. Under miljarder år försvagades signalen, snodde sig genom gravitationsfält och magnetfält, men behöll tillräcklig styrka för att slutligen nå jordens instrument.
Detta är ett imponerande test av modern radioastronomi. Att detektera sådana avlägsna och smalbandiga källor kräver extremt känsliga antenner och avancerad databehandling som filtrerar fram signalen ur en enorm mängd störningar.
Vad forskare använder sådana masers till
Gigamasers är inte bara en kosmisk wow-faktor. De fyller en praktisk roll som vägvisare i utforskningen av avlägsna delar av universum. Med hjälp av dem kan astronomer:
- Spåra platser där intensiva galaxkollisioner och sammanslagningar äger rum
- Undersöka fördelning och täthet av interstellärt gas under olika kosmiska epoker
- Mäta kosmiska avstånd noggrannare med hjälp av exakta molekylära linjefrekvenser
- Kartlägga hur stjärnbildningsaktiviteten förändrats genom universums historia
Masers fungerar som fyrar som pekar ut områden med intensiva energiprocesser – även om de i sig själva bara är en biprodukt av dessa processer. De gör det möjligt att rekonstruera förlopp av spektakulära händelser som galaxkollisioner utan att behöva bevittna dem i realtid.
Forskare vid radioobservatorier världen över katalogiserar systematiskt dessa källor och bygger databaser som hjälper till att kartlägga universums struktur under olika kosmiska tidsåldrar. Varje nyupptäckt gigamaser lägger till en pusselbit i bilden av galaxernas evolution.
Gigamasers och radioastronomins framtid
MeerKAT kommer med tiden att bli en del av ett ännu större projekt – ett nätverk av radioteleskop känt som Square Kilometre Array. Sådana instrument kommer att kunna fånga upp ännu svagare signaler och täcka en mycket större del av himlen med hög upplösning.
Ju fler gigamasers som registreras, desto bättre kan forskare rekonstruera historien om galaxsammanslagningar, takten för stjärnbildning och gasens roll i dessa processer. Det påverkar i sin tur modellerna för hur stora kosmiska strukturer – från enskilda galaxer till enorma superklusters – har utvecklats.
För den som är intresserad av sensorteknik, signaler eller kommunikation är detta ett fascinerande exempel. Universum utnyttjar naturligt de principer som vi i laboratorier försöker efterlikna med lasrar, förstärkare och frekvensfilter. Masers visar hur ett smalt frekvensband och perfekt fasgemenskap kan förvandla ett vanligt gasmoln till en kraftfull sändare, synlig från miljarder ljusår bort.
