Radiobølger forteller universets historie

I det golde naturområdet Karoo i Sør-Afrika skyter hundrevis av hvite paddehatter opp av bakken. Samtidig, 10 000 kilometer unna i den australske villmarken, vokser skoger med tusenvis av trær opp i det knusktørre landskapet.

Paddehattene i Sør-Afrika og trærne i Australia er ikke et mirakuløst naturfenomen. De er menneskeskapte paraboler og antenner som til sammen utgjør radioteleskopet SKA (Square Kilometre Array).

Tusenvis av astronomer og ingeniører har brukt tretti år på å tenke ut teleskopet, som i 2021 endelig har fått grønt lys. SKA blir det største radioteleskopet noen gang og skal gi svar på noen av universets største gåter.

«Menneskeheten tar et enormt sprang ved å forplikte seg til å bygge det som blir den største vitenskapelige anlegget i sitt slag på planeten», uttaler professor Philip Diamond, leder av organisasjonen bak teleskopet, SKAO.

Teleskopet koster to milliarder euro å bygge og holde i gang fra 2021 til 2030, og astronomenes forventninger til det er gigantiske. Det vil gi oss ny kunnskap om praktisk talt alle viktige områder innenfor astronomien. Universets utvidelse, opphavet til de første galaksene, tyngdekraftens natur og utbredelsen av liv i verdensrommet er bare noen av emnene SKA skal undersøke.

Radioteleskopets følsomhet blir uten sidestykke, og det vil for eksempel kunne vise oss bilder av universet som er femti ganger så detaljerte som bilder fra Hubble-teleskopet.

En av de store oppgavene for SKA blir å undersøke universets barndom, for over 13 milliarder år siden, nærmere bestemt perioden omkring 380 000 år etter big bang, da de første galaksene begynte å lyse opp i det kullsvarte universet.

Optiske teleskoper har svakheter

Astronomene håper dermed at SKA-teleskopet vil fange opp stråling som har brukt over 13 milliarder år på å reise hele veien fra universets fjerneste områder fram til jorden. Det er mulig nettopp fordi SKA skal ta opp radiobølger i stedet for synlig lys.

Både synlig lys og radiobølger er stråling innen det såkalte elektromagnetiske spektrumet, men ved ulike bølgelengder.

For å fange opp synlig lys fra universet – altså bølgelengder på 380–700 nanometer – brukes det optiske teleskoper, og hvis de står på jordoverflaten, trenger man en skyfri nattehimmel å få gode resultater. Derfor ligger de optiske teleskopene ofte på fjelltopper ikke så langt fra ekvator, for eksempel i Chile, på Hawaii eller på Kanariøyene.

Optiske teleskoper er mindre enn radioteleskoper fordi speilene må utformes utrolig nøyaktig for å kunne fange opp det svake lyset fra verdensrommet i intakt form.

De korte bølgelengdene gjør det synlige lyset skjørt. På vei mot jorden kan det bli stoppet av for eksempel støv, og i møtet med jordens atmosfære kan det oppstå forvrengning fordi turbulens får luftens brytningsindeks til å endre seg. Det kan gjøre bildet av en fjern stjerne eller galakse temmelig uklart.

Det samme gjelder ikke for radiobølger, som har mye lavere frekvenser og dermed større bølgelengder. Radiobølger er mye lengre enn lysbølger – med en faktor på minst ti tusen – og de påvirkes ikke av atmosfæren på samme måte.

Radiobølger viser det usynlige

Mange legemer i universet, for eksempel stjerner, galakser, pulsarer og svarte hull, sender ut radiostråling som kan fanges opp av radioteleskoper. Det skjedde første gang i 1931, da den amerikanske fysikeren Karl Jansky fanget opp radiostråling fra Melkeveien.

Når radiobølgene oversettes til bølgelengder vi kan se, får vi vite mer om himmellegemene enn det vi får vite ut ifra det synlige lyset de sender ut.

Et problem med radioteleskopene er imidlertid at de er følsomme overfor andre radiosignaler enn de er bygd for å fange opp. Derfor blir SKA-teleskopets antenner plassert i øde områder langt fra sivilisasjonens radio-, TV-, og mobilsignaler.

Samtidig sikrer plasseringen på den sørlige halvkule god utsikt til Melkeveiens bånd på himmelen, og de to utsiktspunktene i Australia og Sør-Afrika gjør det mulig å studere den samme gjenstanden det meste av døgnet.

Når det gjelder teleskoper, er større alltid bedre. Et større oppsamlingsareal gir høyere følsomhet overfor veldig svake signaler. Størrelsen gjør dessuten at SKA kan dekke mer av himmelen på én gang og dermed skanne den raskere. En tredje fordel med størrelsen er at oppløsningen til bildene blir bedre på grunn av alle antennene og parabolene.

I dag finner vi verdens største radioparabol hos observatoriet FAST i Kina. Den 500 meter vide parabolen gir et oppsamlingsareal på 71 000 m². SKA vil bli på 1 000 000 m² når det er fullt utbygd, altså 14 ganger så stort.

Mens FAST består av én stor parabol som fanger radiosignaler, er SKA-teleskopet konstruert etter et helt annet prinsipp.

Superdatamaskin samler signalene

SKA utnytter en teknikk som kalles interferometri, der et stort teleskop settes sammen av mange små. SKA består av en samling av mange mindre parabolskiver og radioantenner. Hver av dem fanger opp det samme signalet, men litt forskjøvet i forhold til hverandre.

Fordelen med å konstruere teleskopet på denne måten er at det er enklere å bygge mange små teleskoper enn ett stort.

Til slutt blir forskyvningen mellom alle signalene korrigert, og signalene blir samlet av superdatamaskiner til ett signal slik at SKA i praksis oppfører seg som om det var ett stort teleskop.

Utviklingen med stadig kraftigere datamaskiner har også betydd at astronomene i dag lynraskt kan utføre de beregningene som samler alle radiosignalene til ett signal. Det hadde ikke vært mulig for bare et par tiår siden, den gang ideen om teleskopet ble unnfanget.

Teknologien kalles apertursyntese og bruker blant annet en matematisk beregning som kalles Fourier-transformasjon, som er ytterst krevende for datamaskinene.

Første fase er klar i 2024

I første fase, som kalles SKA1, blir 197 paraboler med en diameter på 15 meter installert i Sør-Afrika, mens omkring 131 000 radioantenner plasseres i Australia.

Parabolene i Sør-Afrika fanger opp radiobølger ved høyere frekvenser – fra 350 megahertz til 15,3 gigahertz – og kan blant annet fange opp de mystiske fenomenene som kalles radioglimt. Det er kortvarige, men ekstremt kraftige radiopulser som astronomene fortsatt ikke har forstått prosessene bak.

I det samme bølgelengdeområdet kan forskerne også lete etter tegn på biologisk liv på andre planeter ved å undersøke sammensetningen av stoffer i atmosfæren.

I første fase, som trolig vil stå klar i 2024, får teleskopet et oppsamlingsareal på omkring 450 000 m² og en oppløsning som er fire ganger så høy som hos det beste radioteleskopet i samme frekvensområde i dag, JVLA i New Mexico i USA.

Senere i tiåret skal teleskopet etter planen utvides med tusenvis av paraboler og antenner i både Australia og nabolandene rundt Sør-Afrika slik at det til slutt kommer opp i sitt fulle areal på 1 km².

Noen av de små antennene i Australia ser ut som mekaniske juletrær, mens andre er edderkopplignende. De skal fange opp radiobølger med lavere frekvenser, i området 50–350 megahertz. Det gjelder for eksempel de bølgene som stammer fra den tidlige perioden i universets liv. De har reist så langt at de underveis har blitt strukket ut enda mer på grunn av universets utvidelse.

Ved hjelp av disse bølgene vil astronomene kunne undersøke hvordan de første stjernene og galaksene ble til.

De om lag 131 000 antennene i Australia fordeles på 512 ulike stasjoner over en strekning på 65 kilometer.

Spredningen av antenner og paraboler over to kontinenter gjør SKA i stand til å utforske store deler av himmelen samtidig, men også å velge ut klynger av antenner til å fokusere på et bestemt område av himmelen.

Jakt på fremmede sivilisasjoner

Når teleskopet er fullt utbygd, i 2030, vil det etter planen være opp til en million av de små antennene i Australia og flere tusen paraboler i Sør-Afrika.

Det blir med andre ord nok data å analysere. Hvert sekund vil teleskopet motta 13 terabyte data, noe som svarer til omkring 300 spillefilmer i HD-kvalitet. Derfor kreves det ikke bare superdatamaskiner, men også lynraske fiberforbindelser som kan frakte de store datamengdene til dem.

Et av de mer spekulative bruksområdene av SKA blir å lete etter intelligente vesener på andre kloder.

I de siste årene har den såkalte SETI-forskningen, leting etter spor etter intelligent liv andre steder i universet, rettet seg mer mot såkalte teknosignaturer. Det er signaler fra andre stjerner eller eksoplaneter som avslører at en fremmed sivilisasjon finnes der. Det kan for eksempel være radiostråling fra et romskip.

Om denne delen av SKA-prosjektet lykkes, er naturligvis langt fra sikkert. Men det er ingen tvil om at teleskopet vil gi astronomene en masse ny kunnskap om universet vårt. Og kanskje blir det mest interessante at SKA kan oppdage helt nye fenomener som astronomene ikke ante lå og ventet på dem der ute.