Universet som ein gigantisk laser: gigamaser oppdaga 8 milliardar lysår frå Jorda

Eit kosmisk signal frå fortida

Eit radioteleskop i Sør-Afrika har fanga opp eit kraftig signal frå ei tid milliardar av år tilbake — eit signal som minner om eit laserskot frå ein fjern krok av universet. Forskarar har tolka det som ein gigamaser, ein ekstremt kraftfull radiokjelde som vart danna under kollapset av to galaksar.

Det er ikkje ein laser, men ein maser — prinsippet er liknande, men skilnaden ligg i bølgjelengdene. Medan ein laser sender ut ein fokusert stråle av foton i synleg lys, arbeider ein maser med foton i mikrobølgjefrekvenser. Når ein slik kjelde sender ut med uvanleg styrke, brukar forskarane nemninga gigamaser. Og det er nøyaktig det vi har å gjere med her.

8 milliardar lysår unna — eit glimt av det tidlege universet

Signalet kom frå eit system betegna som HATLAS J142935.3–002836, som ligg om lag 8 milliardar lysår frå Jorda. Det tyder at vi observerer ei hending som fann stad då universet berre var 5,8 milliardar år gammalt. Radioteleskopet MeerKAT i Sør-Afrika fanga opp eit ekstremt smalt frekvensbånd med enorm lysstyrke.

Før signalet nådde Jorda, hadde det reist gjennom det kosmiske rommet i ei ufatteleg lang tid — gradvis svakna og på sitt vis reflektert av romtidas krumme struktur. At det overhovudet let seg registrere er i seg sjølv bemerkelsesverdig.

Galaksekollisjon framfor kosmisk sendar

Trass i fantasifulle førestellingar er dette verken ei melding frå ein framand sivilisasjon eller ei døyande stjerne. Analysen peiker på ei dramatisk hending i langt større skala: ein kollisjon mellom to massive galaksar i systemet HATLAS. Begge galaksane var tett pakka med gass — og det viste seg å vere avgjerande.

Under ein slik kollisjon, som strekkjer seg over mange millionar år, vert kjempemessige gassky ar komprimerte og forstyrra valdsamt. I dette tilfellet hamna billionar av molekyl av hydroksylradikalet (OH) — samansett av eit oksygen- og eit hydrogenatom — under svært spesifikke fysiske tilhøve.

OH-molekyl kan bringast til ein tilstand med auka energi, kalla populasjonsinversjon. I den tilstanden fungerer kvart molekyl som eit lite energilager. Éin impuls er nok, og det byrjar å sende ut energi som radiofrekvente foton. Når det første fotonet oppstår i skya, kan det tvinge naboliggande molekyl til å sende ut identiske foton — og ein lavineeffekt tek til.

Korleis ein kosmisk maser oppstår

Den kaotiske gassky a byrjar å oppføre seg som ein kosmisk mikrobølgjelaser. Energi konsentrerer seg i ein smal stråle som rørsler seg i éi retning. Det første OH-molekylet sender ut eit foton ved ein bestemt frekvens, dette fotonet stimulerer naboane til å sende ut identiske foton, og prosessen forsterkar seg sjølv i éi retning.

Resultatet er ein bemerkelsesverdig ordna stråle der alle bølgjer er i fase. I staden for å motverke kvarandre slik dei ville gjort i ei kaotisk kjelde, forsterkar dei kvarandre. Det er nøyaktig det som gjer ei gassky til ein naturleg mikrobølgjeforsterkar — altså ein maser.

Kvart molekyltype har sitt eige sett av tillatne energinivåovergangar og dermed karakteristiske frekvensar. For hydroksylradikalet er det nettopp dei spektrallinjene ein ser i masersignalet. Fordi all energi konsentrerer seg i eit smalt band, trengjer emisjonen gjennom bakgrunnsstøyen sjølv frå enorme avstandar.

Dobbel forsterking: kvantefysikk og gravitasjonslinse

For forskarane bak MeerKAT var det berre ein svak skjelving i den kosmiske støyen — sjølv om maseren i sitt opphav lyste tilsvarande om lag 300.000 soler. Over milliardar av år vart signalet svakare og vovla inn i eit nett av gravitasjonelle og magnetiske felt, men bevarte nok styrke til å nå instrumenta på Jorda.

Forskarane oppdaga dessutan at fenomenet vart ytterlegare forsterka undervegs. Signalet støtte på ein massiv galakse der tyngdekrafta lokalt forvrenger romtida. Denne galaksen fungerte som ei kjempemessig gravitasjonslinse som fokuserte og forsterka dei passande radiobølgjene.

Ei slik gravitasjonslinse krev inga utstyr — berre stor masse. Frå ein jordbasert observatørs synspunkt minner effekten om å sjå ei fjern lyskjelde gjennom ei optisk linse: biletet vert klarare og tidvis forvrengd. Det som nådde MeerKATs antenner, var difor eit signal som fyrst var forsterka på kvantenivå og deretter ytterlegare støtta av universets geometri.

Utan denne doble forsterkinga ville emisjonen vore fullstendig utilgjengeleg for instrumenta våre. Sør-afrikanske forskarar i samarbeid med kollegaer frå ulike institusjonar lukkast, takka vere presise målingar av dei karakteristiske frekvensane, med å stadfeste signalets opphav i systemet HATLAS.

Kva vert gigamaserar brukte til i forskinga?

Gigamaserar spelar ei viktig rolle i studiet av fjerne delar av universet. Dei fungerer som naturlege fyrtårn som markerer stader med intense galaksekollisjonar og samansmeltingar — og det heilt utan at ein treng å observere dei i sanntid.

• Kartlegging av stader med intense galaksekollisjonar og samansmeltingar
• Undersøking av fordelinga og tettheita av interstellar gass i fjerne epokar
• Meir presis måling av kosmiske avstandar ved hjelp av molekylære spektrallinjer
• Verifisering av endringar i stjernedanningsaktivitet gjennom universets historie
• Studier av fysiske tilhøve i område med ekstrem gasskompresjon
• Testing av modellar for gravitasjonslinseeffektar over store avstandar

Sjølv om ein maser kan verke eksotisk, er verkmåten svært lik den som vert nytta i kvardagslege laserar. I begge tilfella dreier det seg om stimulert emisjon av stråling, der foton oppfordrar atom eller molekyl til å sende ut identiske foton. Skilnaden ligg primært i frekvens og skala.

Gigamaserar og framtida for radioastronomi

Med tida vil MeerKAT verte ein del av eit endå større prosjekt — eit nettverk av radioteleskop kjent som Square Kilometre Array. Slike instrument vil gjere det mogleg å fange opp endå svakare signal og dekkje langt større delar av himmelen med høg oppløysing.

Jo fleire gigamaserar som vert registrerte, desto betre kan forskarane rekonstruere galaksanes fusjonstempo, stjernedanningsfarten og gassens rolle i desse prosessane. Det påverkar igjen modellane for utviklinga av store kosmiske strukturar — frå individuelle galaksar til kjempemessige superclusters.

Maserar viser korleis eit smalt frekvensbånd og perfekt fasejustering kan gjere ei ordinær gassky til ein kraftfull sendar, synleg frå milliardar av lysår. Forskarar frå universitet og observatorium verda over held fram med analysen av data frå MeerKAT og førebur framtidige observasjonar som skal avdekkje fleire liknande objekt. Kvar ny gigamaser gir verdifull innsikt i dei fysiske tilhøva i det tidlege universet og hjelper med å presisere dei kosmologiske modellane.