Långt ute i universums avlägsna vrår har forskare fångat upp en extremt smal och kraftfull radiosignal som rest i miljarder år innan den nådde jorden.
Med hjälp av det sydafrikanska radioteleskopet MeerKAT har astronomer observerat ett ovanligt kosmiskt fenomen: en enormt kraftfull stråle av mikrovågstrålning från en kollision mellan två fjärran galaxer, förstärkt av rummets och tidens egen krökning.
Inte en laser, utan en maser – vad har egentligen upptäckts?
Benämningen ’kosmisk laser’ låter dramatiskt, men är vetenskapligt sett inte helt korrekt. Det handlar faktiskt om en så kallad maser, vilket står för Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Medan en laser sänder ut synligt eller infrarött ljus, använder en maser mikrovågor – alltså radiovågor med lägre energi.
Principen påminner ändå mycket om en laserpekare eller en fiberoptisk laser i en fabrik. Även här bildas en mycket smal stråle med exakt samma frekvens och riktning. I rymden talar forskare om en megamaser eller till och med en gigamaser när källorna är extremt ljusstarka. Den nyligen uppmätta källan tillhör den sistnämnda och mest extrema kategorin.
Denna gigamaser befinner sig cirka 8 miljarder ljusår bort och är en av de kraftigaste radiosignalerna som någonsin observerats på ett så enormt avstånd.
Signalen är kopplad till systemet HATLAS J142935.3–002836, ett komplex av sammansmältande galaxer fyllda med gas och damm. Strålningen – tekniskt sett radiovågor – lämnade sin källa när universum var cirka 5,8 miljarder år gammalt, och har sedan dess genomlöpt en kosmisk hinderbana.
En galaktisk kollision som gnistan bakom signalen
Kärnan i historien är en gigantisk kollision mellan två massiva galaxer. Båda galaxerna var fyllda till brädden med gas, däribland stora moln av hydroxylmolekyler (OH). Hydroxyl består av en syre- och en väteatom och spelar på jorden en roll i bland annat kemiska reaktioner i atmosfären. Under extrema förhållanden i rymden beter det sig helt annorlunda.
När galaxer tränger in i varandra komprimeras gasmolnen, värms upp och slits isär av tyngdkraft och turbulens. I en sådan miljö kan OH-molekylerna hamna i ett särskilt energitillstånd som kallas populationsinversion. Det innebär att relativt många molekyler befinner sig i ett upphetsad, energirikt tillstånd.
I det läget kan något anmärkningsvärt inträffa. När en av dessa upphetsade molekyler sänder ut en foton – ett ljuspaket i form av en radiovåg – kan det utlösa närliggande molekyler att göra exakt samma sak. Därmed uppstår en kedjereaktion:
- en foton utlöser en annan molekyl,
- den fotonen utlöser i sin tur en nästa,
- alla nya fotoner får samma frekvens och riktning,
- strålen förstärks steg för steg.
Därigenom förvandlas gasmolnet till en naturlig förstärkare. Radiovågorna från varje OH-molekyl lägger sig snyggt ovanpå varandra istället för att delvis ta ut varandra. Vågorna löper i takt, vilket producerar en stark och smal stråle. Denna process – kallad kollimation – ser till att en stor del av energin rör sig i en riktning: i detta fall direkt ut i kosmos och slutligen mot vår planet.
Dubbel förstärkning: kvantfysik och en kosmisk förstoringslins
Masereffekten i gasmolnet är bara första steget. Det finns ytterligare en faktor som gör signalen så exceptionell: tyngdkraften fungerade som ett slags kosmisk lins. Under sin resa på miljarder år korsade strålen en annan, mycket tung galax eller en galaxhop. Den massan förvränger rummet omkring sig.
Enligt Einsteins relativitetsteori böjs ljus i närheten av massa, eftersom rum och tid är krökta där. Detta fenomen – gravitationslinsning – kan samla och förstärka ljusstrålar, precis som ett förstoringsglas kan koncentrera solljus.
Gigamasern är alltså förstärkt två gånger: först genom kvantprocesser i gasmolnet, därefter via gravitationslinsen från en mellanliggande galax.
För astronomer är det guld värt. Utan denna dubbla förstärkning skulle strålen ha varit alldeles för svag för att nå MeerKATs antenner. Nu gav den precis tillräckligt med signal för att sticka ut från bakgrundsbruset – som ett ganska svagt eko av en kollision mellan galaxer.
Ljusstark som 300 000 solar – men inom ett smalt frekvensband
Analysen visar att den ursprungliga källan hade en häpnadsväckande ljusstyrka motsvarande omkring 300 000 solar. Det betyder inte att hela det elektromagnetiska spektrumet var så ljust som fallet är med en stjärna. Energin var istället koncentrerad till ett mycket smalt urval av radiovågsfrekvenser – de karaktäristiska linjerna för hydroxyl.
OH-molekyler kan bara sända ut eller absorbera fotoner vid några få fasta frekvenser. Därigenom samlas all maserstrålningens energi i just dessa linjer. För ett radioteleskop är det en fördel: istället för brett, svagt brus tas en smal och intensiv signal emot. Även efter miljarder år i transit sticker den fortfarande precis fram över bakgrunden.
| Egenskap | Kosmisk gigamaser |
|---|---|
| Avstånd | Cirka 8 miljarder ljusår |
| Ursprung | Kollision mellan två gasrika galaxer |
| Molekyl | Hydroxyl (OH) |
| Ljusstyrka | Cirka 300 000 gånger solen, i smala band |
| Förstärkning | Masereffekt + gravitationslins |
Varför är denna signal så intressant för kosmologer?
För dem som intresserar sig för utomjordiskt liv låter en smal, kraftfull radiovåg snabbt som en konstgjord signal. I detta fall härstammar fenomenet uteslutande från naturlagar – ingen teknik eller civilisation är inblandad. Ändå hjälper en sådan gigamaser indirekt i sökandet efter liv, eftersom den berättar mycket om galaxernas tillväxt i det unga universum.
Masrar markerar områden med täta gasmoln och intensiv aktivitet: stjärnbildning, kollisioner och svarta hål som slukar material. Genom att mäta maserns egenskaper kan forskare härleda hur mycket gas som finns närvarande, hur snabbt galaxer smälter samman och hur omgivningarna såg ut för miljarder år sedan.
Dessutom utgör masrar ett slags kosmisk måttstock. Eftersom de sänder ut vid fasta frekvenser avslöjar förskjutningar i dessa frekvenser hur snabbt en källa rör sig bort från oss till följd av universums expansion. Med flera sådana källor på varierande avstånd uppnås en mer precis bild av den kosmiska expansionens historia.
Vad är MeerKAT, och varför spelar det så stor roll?
MeerKAT är en stor grupp radioteleskop i Sydafrika, bestående av åtskilliga parabolantenner som samarbetar som ett instrument. Genom att kombinera signaler från alla antenner uppstår ett virtuellt teleskop med hög känslighet och skärpa. Det gör systemet särskilt lämpligt för att fånga upp extremt svaga radiosignaler, som dem från avlägsna masrar.
Projektet betraktas som föregångare till det ännu större Square Kilometre Array (SKA), ett internationellt megaprojekt som byggs upp under kommande år. Det MeerKAT redan klarar av är en försmak på vad SKA framöver kommer att registrera i mycket större antal: svaga ekon från händelser som ägde rum när universum fortfarande var ungt och oroligt.
Mer om masrar, lasrar och gravitationslinser
För den som känner till lasrar från vardagen är det användbart att kort jämföra likheter och skillnader. Lasrar används inom medicin, industri och kommunikation. Principen om stimulerad emission – en foton som sätter igång en ström av identiska fotoner – är exakt densamma som vid en maser.
Skillnaden ligger i våglängden: lasrar arbetar med synligt eller infrarött ljus, masrar i mikrovågsområdet. Masrar är därför osynliga för det mänskliga ögat, men utmärkta att ta emot med radioteleskop. I rymden uppstår de spontant i gasmoln runt unga stjärnor, i närheten av supermassiva svarta hål eller, som i detta fall, i kolliderande galaxer.
Gravitationslinser kräver lite fantasi att föreställa sig. En användbar bild är en lugn damm. En rak pinne som sticks ner i vattnet ser böjd ut, eftersom vattnet bryter ljuset. I rymden spelar massa rollen som vattnet: ju tyngre ett objekt är, desto starkare stör det ljusets ’räta linjer’. Det kan förvränga en avlägsen källa till en ring, en båge eller – som här – helt enkelt förstärka och fokusera den.
Just kombinationen av mikrofysik (energinivåer i molekyler) och kosmisk skala (förvrängning av rum och tid) gör denna gigamaser så fascinerande. En mikroskopisk kvantövergång i en enda molekyl bidrar till en signal som efter en resa på miljarder år slutar som några få extra mätbara impulser i mottagarna på ett radioteleskop i Sydafrika.
