Ett kraftfullt signal från universums barndom
Ett radioteleskop i Sydafrika har fångat upp en enorm signal från en tid för miljarder år sedan – en signal som liknar en laserstråle från ett avlägset hörn av universum.
Forskare tolkar signalen som en så kallad gigamaser – en extremt ljusstark radiokälla som bildas när två galaxer krockar med varandra. Det rör sig om ett av de kraftfullaste fenomen av detta slag som någonsin registrerats av instrument på jorden.
Vid en första anblick kan man tänka på en kosmisk laser. I verkligheten talar astronomerna om en maser – ett fenomen som liknar lasern men som fungerar i ett annat våglängdsområde. En laser skapar en ordnad stråle av fotoner i synligt ljus, medan en maser producerar fotoner i mikrovågsfrekvenser. När en sådan källa strålar med exceptionell intensitet använder forskarna begreppet gigamaser.
Inte en laser utan en maser – vad MeerKAT egentligen fångade
Signalen kom från ett system som betecknas HATLAS J142935.3–002836, beläget ungefär 8 miljarder ljusår från jorden. Det innebär att vi observerar ett fenomen som inträffade när universum bara var omkring 5,8 miljarder år gammalt.
Radioteleskopet MeerKAT i Sydafrika fångade upp ett mycket smalt frekvensband men med enorm klarhet. Innan signalen nådde fram till jorden hade den färdats genom rymdens ofattbara avstånd, försvagats och på sitt vis böjts längs tidrummets krökning som formas av materia. Forskare kopplade till MeerKAT-projektet betraktar denna gigamaser från HATLAS-systemet som en av de mest extrema radiosignaler som registrerats på ett sådant avstånd.
Det är galaxkollisioner – inte en kosmisk sändare
Till skillnad från vad fantasifulla hypoteser kan antyda handlar det varken om ett meddelande från en främmande civilisation eller om en ensam stjärna i dödskamp. Analysen pekar på en dramatisk händelse i en helt annan skala – en kollision mellan två massiva gasfyllda galaxer i HATLAS-systemet. Att båda galaxerna var rika på gas visade sig vara avgörande.
Under en sådan kollision, som utsträcker sig över många miljoner år, komprimeras och virvlas gigantiska gasmoln våldsamt runt. I det här fallet stötte biljoner molekyler av den så kallade hydroxylradikalen – bestående av en syreatom och en väteatom – på mycket specifika fysikaliska förhållanden. Forskare som undersökt fenomenet bekräftade att OH-molekyler kan hamna i ett tillstånd med högre energi.
Detta fenomen kallas populationsinversion och gör att varje molekyl fungerar som ett litet energiförråd. En enda impuls räcker för att den ska börja avge energi i form av radiofotoner. När den första radiofotononen uppträder i ett sådant moln kan den tvinga angränsande molekyler att sända ut identiska fotoner.
Hur en kosmisk maser uppstår
Gradvis skapas en lavineffekt som fysiker beskrev i detalj redan under 1960-talet. Principen liknar den hos lasern som används i vanlig teknik – men här handlar det om mikrovågor snarare än synligt ljus.
- Den första OH-molekylen sänder ut en foton vid en viss frekvens
- Den fotonen stimulerar grannmolekylerna att sända ut identiska fotoner
- Ytterligare molekyler gör detsamma och förstärker signalen i en riktning
- Alla vågor sammanfaller i samma fas
- Istället för att störa varandra som i en kaotisk källa förstärks de ömsesidigt
- Gasmolet förvandlas till en naturlig mikrovågförstärkare
- Energin koncentreras till en smal stråle som färdas i en enda riktning
Resultatet är en enastående ordnad stråle där alla vågor är i fas med varandra. Det är precis detta som omvandlar ett kaotiskt gasmoln till en kosmisk mikrovågslaser – det vill säga en maser. All energi samlas i en smal stråle istället för att spridas åt alla håll.
Dubbel förstärkning – kvantfysik och gravitationslinser
I fallet med HATLAS-systemet är molekylfysiken bara en del av historien. Under sin resa stötte signalen på en massiv galax vars gravitation lokalt krökte tidrummet. Den fungerade som en gigantisk lins som koncentrerade och förstärkte de passerande radiovågorna. Forskare vid Jodrell Bank Observatory bekräftade att denna gravitationslinseffekt bidrog avsevärt till att fenomenet överhuvudtaget kunde observeras.
En gravitationslins kräver ingen teknisk utrustning – stor massa räcker. Från en jordbaserad observatörs synvinkel liknar effekten det att titta på en avlägsen lampa genom ett förstoringsglas: bilden blir klarare och ibland också förvrängd. Det som nådde MeerKAT var alltså en signal som först förstärkts på kvantnivå och sedan ytterligare förstärkts av universums geometri.
Utan denna dubbla förstärkning hade emissionen förblivit oåtkomlig för våra instrument. Astronomer vid det sydafrikanska radioobservatoriet beräknade att kombinationen av masereffekten och gravitationslinsningen ökade signalens synbara ljusstyrka upp till hundra gånger jämfört med vad som hade kunnat observeras utan den mellanliggande galaxen.
Ljusstyrkan av 300 000 solar i ett enda 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 handlar inte om energi spridd över hela strålningsspektrumet, utan om energi koncentrerad i ett extremt smalt frekvensband kopplat till specifika energiövergångar hos OH-molekyler.
Varje typ av molekyl har sin egen uppsättning tillåtna övergångar mellan energinivåer och därmed karakteristiska frekvenser där den kan sända ut eller absorbera fotoner. För hydroxylradikalen är det just de linjer som syns i masersignalen. Tack vare detta sprids inte effekten på andra våglängder, och energikoncentrationen gör att emissionen sticker ut ovanför bakgrundsbruset även på enorma avstånd.
För MeerKAT var det bara en svag puls i det kosmiska bruset – trots att maserns ljusstyrka vid källan motsvarade hundratusentals stjärnor liknande vår sol. Under miljarder år försvagades signalen och vävdes in i ett tätt nät av gravitationella och magnetiska fält, men den bevarade tillräckligt med energi för att nå jordens instrument. Det är ett imponerande bevis på modern radioastronomis förmåga.
Vad forskare använder gigamasers till
Gigamasers är inte bara en kosmisk kuriositet i kategorin häpnadsväckande upptäckter. De fyller en praktisk funktion som pålitliga markörer vid utforskningen av avlägsna delar av universum.
- Kartläggning av platser där intensiva galaxkollisioner äger rum
- Undersökning av interstellärt gas fördelning i avlägsna epoker
- Mätning av kosmiska avstånd med hjälp av molekylära linjefrekvenser
- Spårning av förändringar i stjärnbildningsaktivitet genom universums historia
- Kartläggning av hydroxylradikalernas fördelning i rymden
- Studier av gasmolnens dynamik vid kollisioner
Masers fungerar alltså som en sorts fyrar som pekar ut områden där något energimässigt intensivt pågår – även om de i sig själva bara är en biprodukt av dessa processer. Tack vare dem kan man rekonstruera förloppen av spektakulära händelser som galaxkollisioner utan att behöva observera dem i realtid.
Vad gigamasers berättar om radioastronomins framtid
Med tiden kommer MeerKAT att bli en del av ett ännu större projekt – nätverket av radioteleskop känt som Square Kilometre Array. Sådana instrument gör det möjligt att fånga upp ännu svagare signaler och granska en mycket större del av himlen med hög upplösning. Ju fler gigamasers som lyckas registreras, desto bättre kan forskarna rekonstruera historien om galaxers sammanslagning, takten på stjärnbildning och gasens roll i dessa processer.
Det påverkar i sin tur modellerna för hur stora kosmiska strukturer har utvecklats – från enskilda galaxer till väldiga superclustern. För den som intresserar sig för sensorteknik, signalbehandling eller kommunikation är det här fallet också en fascinerande lektion: universum utnyttjar naturligt principer som vi i laboratorier försöker efterlikna med lasrar, förstärkare och frekvensfilter.
Masers visar hur ett smalt frekvensband och perfekt fasöverensstämmelse kan förvandla ett vanligt gasmoln till en kraftfull sändare synlig från miljarder ljusår bort. Det väcker en naturlig fråga – vilka andra naturliga processer i universum väntar fortfarande på att upptäckas, och vilken teknologisk inspiration kommer vi att hämta från dem under kommande decennier?
