Gigantisk kosmisk ‘laser’ 8 milliarder lysår væk forundrer astronomer

Dybt ude i universet har forskere opfanget et ekstremt smalt og kraftfuldt radiosignal, der har rejst i milliarder af år på vej mod Jorden.

Ved hjælp af den sydafrikanske radioteleskop MeerKAT har astronomer observeret et sjældent kosmisk fænomen: en enormt kraftfuld stråle af mikrobølgestråling fra en kollision mellem to fjerne galakser, forstærket af selve rummets og tidens krumning.

Ikke en laser, men en maser – hvad er der egentlig opdaget?

Betegnelsen 'kosmisk laser' lyder dramatisk, men er videnskabeligt set ikke helt præcis. Det drejer sig faktisk om en såkaldt maser, som står for Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Mens en laser udsender synligt eller infrarødt lys, benytter en maser mikrobølger – altså radiostråling med lavere energi.

Princippet minder alligevel meget om en laserpointer eller en fiberoptisk laser i en fabrik. Også her dannes en meget smal stråle med præcis samme frekvens og retning. I rummet taler forskere om en megamaser eller endda en gigamaser, når kilderne er ekstremt lysstærke. Den netop målte kilde tilhører den sidstnævnte og mest ekstreme kategori.

Denne gigamaser befinder sig cirka 8 milliarder lysår væk og er et af de kraftigste radiosignaler, der nogensinde er observeret på så enorm en afstand.

Signalet er knyttet til systemet HATLAS J142935.3–002836, et kompleks af sammensmeltende galakser fyldt med gas og støv. Strålingen – teknisk set radiostråling – forlod sin kilde, da universet var cirka 5,8 milliarder år gammelt, og har siden gennemløbet en kosmisk forhindringsbane.

En galaktisk kollision som gnisten bag signalet

Kernen i historien er en gigantisk kollision mellem to massive galakser. Begge galakser var fyldt til randen med gas, herunder store skyer af hydroxylmolekyler (OH). Hydroxyl består af ét ilt- og ét brintatom og spiller på Jorden en rolle i bl.a. kemiske reaktioner i atmosfæren. Under ekstreme forhold i rummet opfører det sig helt anderledes.

Når galakser trænger ind i hinanden, komprimeres gasskyerne, opvarmes og rives fra hinanden af tyngdekraft og turbulens. I et sådant miljø kan OH-molekyler havne i en særlig energitilstand kaldet en populationsinversion. Det betyder, at relativt mange molekyler befinder sig i en ophidset, energirig tilstand.

På det tidspunkt kan noget bemærkelsesværdigt ske. Når ét af disse ophidsede molekyler udsender et foton – en lyspakke i form af en radiobølge – kan det udløse naboende molekyler til at gøre nøjagtig det samme. Dermed opstår en kædereaktion:

• ét foton udløser et andet molekyle,
• det foton udløser igen et næste,
• alle nye fotoner får samme frekvens og retning,
• strålen forstærkes trin for trin.

Derved forvandles gassskyen til en naturlig forstærker. Radiostrålingen fra hvert OH-molekyle lægger sig pænt oven på hinanden i stedet for delvist at udligne hinanden. Bølgerne løber i takt, hvilket producerer en stærk og smal stråle. Denne proces – kaldet kollimation – sørger for, at en stor del af energien bevæger sig i én retning: i dette tilfælde direkte ud i kosmos og til sidst mod vores planet.

Dobbelt forstærkning: kvantefysik og en kosmisk lup

Maservirkningen i gassskyen er blot første trin. Der er endnu en faktor, som gør signalet så exceptionelt: tyngdekraften fungerede som en slags kosmisk linse. Under sin rejse på milliarder af år krydsede strålen en anden, meget tung galakse eller en galakseklynge. Den masse forvrider rummet omkring sig.

Ifølge Einsteins relativitetsteori bøjes lys i nærheden af masse, fordi rum og tid er krum der. Dette fænomen – tyngdekraftlinsning – kan samle og forstærke lysstråler, præcis som en glaslup kan koncentrere sollys.

Gigamaseren er altså forstærket to gange: først gennem kvanteprocesser i gassskyen, dernæst via tyngdekraftlinsen fra en mellemliggende galakse.

For astronomer er det guld værd. Uden denne dobbelte forstærkning ville strålen have været alt for svag til at nå MeerKATs antenner. Nu gav den netop nok signal til at skille sig ud fra baggrundsstøjen – som et ganske svagt ekko af en kollision mellem galakser.

Lysstærk som 300.000 sole – men inden for ét smalt frekvensbånd

Analysen viser, at den oprindelige kilde havde en forbløffende lysstyrke svarende til omkring 300.000 sole. Det betyder ikke, at hele det elektromagnetiske spektrum var så lyst, som det er tilfældet med en stjerne. Energien var derimod koncentreret i et meget smalt udvalg af radiobølgefrekvenser – de karakteristiske linjer for hydroxyl.

OH-molekyler kan kun udsende eller absorbere fotoner ved nogle få faste frekvenser. Derved samles al maserstrålingens energi i netop disse linjer. For en radioteleskop er det en fordel: i stedet for bred, svag støj modtages et smalt og intenst signal. Selv efter milliarder af år i transit stikker det stadig akkurat frem over baggrunden.

Hvorfor er dette signal så interessant for kosmologer?

For dem der interesserer sig for udenomsjordisk liv, lyder en smal, kraftfuld radiostråle hurtigt som et kunstigt signal. I dette tilfælde stammer fænomenet udelukkende fra naturlove – ingen teknologi eller civilisation er involveret. Alligevel hjælper en sådan gigamaser indirekte i søgen efter liv, fordi den fortæller meget om galaksernes vækst i det unge univers.

Masere markerer områder med tætte gasskyер og intens aktivitet: stjernedannelse, kollisioner og sorte huller, der sluger materiale. Ved at måle maserens egenskaber kan forskere udlede, hvor meget gas der er til stede, hvor hurtigt galakser smelter sammen, og hvordan omgivelserne så ud for milliarder af år siden.

Desuden udgør masere en slags kosmisk målestok. Fordi de udsender ved faste frekvenser, afslører forskydninger i disse frekvenser, hvor hurtigt en kilde bevæger sig væk fra os som følge af universets udvidelse. Med flere sådanne kilder på varierende afstande opnås et mere præcist billede af den kosmiske ekspansions historie.

Hvad er MeerKAT, og hvorfor spiller det så stor en rolle?

MeerKAT er en stor gruppe radioteleskoper i Sydafrika, bestående af adskillige parabolantenner der samarbejder som ét instrument. Ved at kombinere signaler fra alle antenner opstår der et virtuelt teleskop med høj følsomhed og skarphed. Det gør systemet særdeles velegnet til at opfange ekstremt svage radiosignaler, som dem fra fjerne masere.

Projektet betragtes som forløber for det endnu større Square Kilometre Array (SKA), et internationalt megaprojekt der opbygges i de kommende år. Det MeerKAT allerede kan, er et forsmag på, hvad SKA fremover vil registrere i langt større antal: svage ekkoer fra begivenheder, der fandt sted, da universet stadig var ungt og uroligt.

Mere om masere, lasere og tyngdekraftlinser

For den der kender til lasere fra hverdagen, er det nyttigt kort at sammenligne ligheder og forskelle. Lasere anvendes inden for medicin, industri og kommunikation. Princippet om stimuleret emission – ét foton der sætter en strøm af identiske fotoner i gang – er præcis det samme som ved en maser.

Forskellen ligger i bølgelængden: lasere arbejder med synligt eller infrarødt lys, masere i mikrobølgeområdet. Masere er derfor usynlige for det menneskelige øje, men glimrende at modtage med radioteleskoper. I rummet opstår de spontant i gasskyер omkring unge stjerner, i nærheden af supermassive sorte huller eller, som i dette tilfælde, i kolliderende galakser.

Tyngdekraftlinser kræver lidt fantasi at forestille sig. Et nyttigt billede er en rolig dam. En ret pind stukket ned i vandet ser bøjet ud, fordi vandet bryder lyset. I rummet spiller masse rollen som det vand: jo tungere et objekt, desto stærkere forstyrrer det lysets 'rette linjer'. Det kan forvrænge en fjern kilde til en ring, en bue eller – som her – ganske enkelt forstærke og fokusere den.

Netop kombinationen af mikrofysik (energiniveauer i molekyler) og kosmisk skala (forvrængning af rum og tid) gør denne gigamaser så fascinerende. En mikroskopisk kvanteovergang i et enkelt molekyle bidrager til et signal, der efter en rejse på milliarder af år ender som nogle få ekstra målbare impulser i modtagerne på en radioteleskop i Sydafrika.