Radiovågor

Radiovågor berättar universums historia

Under de närmaste tio åren ska tusentals antenner placeras ut i Sydafrika och Australien. Tillsammans ska de bilda världens största radioteleskop, SKA. Antennerna kommer att fungera som en enda jättelik parabol som tar emot signaler från universums historia.

Under de närmaste tio åren ska tusentals antenner placeras ut i Sydafrika och Australien. Tillsammans ska de bilda världens största radioteleskop, SKA. Antennerna kommer att fungera som en enda jättelik parabol som tar emot signaler från universums historia.

CSIRO

I det karga naturområdet Karoo i Sydafrika skjuter hundratals vita svampar upp ur marken. Samtidigt, 1 000 mil bort i den australiska vildmarken, växer det upp granskogar med tusentals träd i det torra landskapet.

Svamparna i Sydafrika och granarna i Australien är inte något mirakulöst naturfenomen. De är mänskligt skapade paraboler och antenner, som tillsammans ska bilda radioteleskopet SKA (Square Kilometre Array).

Tusentals astronomer och ingenjörer har ägnat 30 år åt att planera det här teleskopet, som år 2021 slutligen fick grönt ljus att byggas. SKA, som kommer att bli det största radioteleskopet någonsin, ska ge svar på några av universums största gåtor.

Det nya teleskopet kommer att ge oss nya kunskaper inom alla astronomiska områden.

”Mänskligheten tar ett nytt jättesprång genom att ta sig an bygget av det som kommer att bli planetens största vetenskapliga konstruktion i sitt slag”, säger professor Philip Diamond, som är chef för SKAO, organisationen bakom teleskopet.

Teleskopet kommer att kosta motsvarande 20 miljarder kronor att bygga och hålla i drift mellan åren 2021 och 2030, och astronomernas förväntningar är gigantiska. SKA kommer att ge oss nya kunskaper inom praktiskt taget alla viktiga astronomiska forskningsområden. Universums expansion, de första galaxernas födelse, gravitationens innersta natur och utbredningen av liv i rymden är bara några av de ämnen som kommer att studeras med SKA.

Radiovågor

Under det här årtiondet kommer tusentals radioparaboler att byggas i Sydafrika, medan uppemot en miljon mindre antenner ska placeras ut i Australien.

© CSIRO/Shutterstock

Radioteleskopets känslighet blir ojämförligt hög. Det kommer till exempel att kunna visa oss bilder av universum som är 50 gånger mer detaljerade än Hubbleteleskopets.

En av de stora uppgifterna för SKA blir att undersöka universums barndom för över 13 miljarder år sedan, närmare bestämt perioden omkring 380 000 år efter stora smällen, då de första galaxerna började lysa upp ett becksvart universum.

Optiska teleskop har svagheter

Astronomerna hoppas därmed att SKA-teleskopet ska registrera strålning för vilken det har tagit över 13 miljarder år att ta sig från universums avlägsnaste områden hit till jorden. Det blir möjligt just för att SKA registrerar radiovågor i stället för synligt ljus.

Både synligt ljus och radiovågor är strålning inom det så kallade elektromagnetiska spektrumet, fast vid olika våglängder.

För att fånga synligt ljus från universum, det vill säga våglängder omkring 380–700 nanometer, används optiska teleskop. Om de är placerade på marken krävs en molnfri natthimmel för att få riktigt bra resultat. Därför ligger optiska teleskop ofta på bergstoppar, till exempel i Chile, på Hawaii eller på Kanarieöarna.

Elektromagnetiskt spektrum

Synligt ljus, som registreras av optiska teleskop (till höger), utgör bara en liten del av det elektromagnetiska spektrumet. Radiovågorna omfattar ett betydligt bredare intervall (till vänster).

© Shutterstock

Optiska teleskop är mindre än radioteleskop, eftersom deras speglar måste konstrueras i enlighet med ytterst exakta specifikationer för att kunna fånga det svaga kosmiska ljuset i intakt form.

De korta våglängderna gör det synliga ljuset känsligt. På sin väg mot jorden kan det hindras av exempelvis damm, och i mötet med jordens atmosfär kan ljuset förvrängas när turbulens påverkar luftens brytningsindex. Det kan göra bilden av en avlägsen stjärna eller galax suddig i stället för knivskarp.

Det händer inte med radiovågor, som har mycket lägre frekvenser och därmed större våglängder. Radiovågor är betydligt längre än ljus, från millimeter ända upp till kilometer, och påverkas därför inte på samma sätt av atmosfären.

Radiovågor visar det osynliga

Många himlakroppar i universum, däribland stjärnor, galaxer, pulsarer och svarta hål, avger radiostrålning som kan registreras av radioteleskop. Det gjordes för första gången år 1931, då den amerikanske fysikern Karl Jansky mätte radiostrålning från Vintergatan.

När radiovågorna översätts till våglängder som vi kan se med blotta ögat blir det uppenbart att de kan säga oss saker om universums himlakroppar som vi inte kan se i det synliga ljus de avger.

Vintergatans radiovågsområde

Radioteleskop registrerar stora mängder strålning som vi inte kan se med optiska teleskop. Ovan visas Vintergatans band i synligt ljus. Nedan visas samma del av himlavalvet i radiovågsområdet.

© Axel Mellinger/G. Haslam/MOifR/Detlev Van Ravenswaay/SPL

Ett problem med radioteleskopen är att de är känsliga för andra radiosignaler än dem de har konstruerats för att registrera. Därför placeras SKA-teleskopets antenner i ensligt belägna områden, långt från civilisationens myller av radio-, tv-, och mobilsignaler.

Samtidigt ger placeringen på södra hemisfären en bra utblick mot Vintergatans band på himlen. De två utsiktspunkterna i Australien och Sydafrika gör det möjligt att studera samma objekt under större delen av dygnet.

När det gäller teleskop är storleken väsentlig, eftersom en större uppsamlingsyta ger högre känslighet för svaga signaler. SKA:s storlek gör dessutom att det täcker mer av himlavalvet på en gång och därmed kan skanna av det snabbare. En tredje fördel med storleken är att bildernas upplösning förbättras av de många antennerna och parabolerna.

I dag finns världens största radioparabol på observatoriet Fast i Kina. Den 500 meter breda parabolen där ger en uppsamlingsyta på 71 000 kvadratmeter. Det är 14 gånger mindre än SKA:s en miljon kvadratmeter, som det kommer att ha när det är helt utbyggt.

Teleskop

Världens just nu största radioteleskop utformat som en enda parabol är kinesiska Fast. SKA-teleskopets antenner kommer tillsammans att fungera som en 14 gånger större parabol.

© Ou Dongqu Xinhua/Xinhua/Ritzau Scanpix

Medan Fast består av en enda stor parabol som registrerar radiosignaler, konstrueras SKA enligt en helt annan princip.

Superdator samlar signalerna

SKA-teleskopet använder en teknik som kallas interferometri, där ett stort teleskop byggs av många små. SKA konstrueras som en så kallad array, en kombination av många mindre paraboler och radioantenner som var och en för sig registrerar samma signal, fast något förskjutna.

Fördelen med att konstruera teleskopet på det här viset är att det är enklare att bygga många små teleskop än ett stort.

Slutligen korrigeras förskjutningen mellan de många signalerna, som samlas av superdatorer till en enda signal, så att SKA i praktiken fungerar som ett jättelikt teleskop.

Tusentals paraboler och hundratusentals radioantenner fördelade på två kontinenter ska fånga radiovågor från rymden, som därefter omvandlas till bilder som vi kan se med blotta ögat.

Radiovågor
© CSIRO/Shutterstock

1. Radiovågor från rymden registreras

SKA:s paraboler och antenner registrerar radiovågor av olika frekvenser. De 15 meter breda parabolerna i Sydafrika tar emot de högre frekvenserna, medan de mindre antennerna i Australien tar hand om det lågfrekventa området.

Dator med radiovågor
© Shutterstock

2. Superdator samlar signalerna

De många antennerna tar emot signalerna något förskjutna från varandra, eftersom de inte befinner sig på exakt samma plats. En superdator tar emot alla data och beräknar fasskillnaden, så att signalerna kan synkroniseras till en signal.

Kvasar
© Jordrell Bank/SPL

3. Radiovågorna får synliga färger

Radiovågor är inte synliga för oss, men de kan färgkodas utifrån sina våglängder. På så vis skapas en bild av det objekt från vilket radiostrålningen kommer, till exempel den här mycket aktiva galaxkärnan, en så kallad kvasar.

Utvecklingen mot allt kraftfullare datorer har gjort att astronomerna i dag blixtsnabbt kan utföra de beräkningar som samlar de många radiosignalerna till en enda signal. Det hade inte gått för bara ett par årtionden sedan, då idén om teleskopet kläcktes.

Tekniken, som kallas apertursyntes, utnyttjar bland annat en matematisk beräkning som kallas fouriertransformation, som är mycket krävande för datorer att tugga sig igenom.

Den första fasen är klar år 2024

I den första fasen, som kallas SKA1, installeras 197 paraboler med en diameter på 15 meter i Sydafrika, medan omkring 131 000 radioantenner placeras ut i Australien.

Parabolerna i Sydafrika registrerar radiovågor vid högre frekvenser, från 350 megahertz till 15,3 gigahertz, och kan bland annat registrera de mystiska fenomen som kallas radioblixtar, kortvariga, men extremt kraftfulla radiopulser vars processer astronomerna ännu inte har förstått.

Radiovågor

Flera radioteleskop, här JVLA i USA, har registrerat så kallade radioblixtar. Dessa våldsamma pulser av radiostrålning kommer från avlägset belägna galaxer. Hur de uppstår är fortfarande en gåta.

© Danielle Futselaar

I samma våglängdsområde kan forskarna leta efter tecken på biologiskt liv på andra planeter genom att undersöka sammansättningen av ämnen i atmosfären.

I den första fasen, som förväntas vara klar år 2024, får teleskopet en total uppsamlingsyta på cirka 450 000 kvadratmeter och en upplösning som är fyra gånger högre än det nuvarande bästa radioteleskopet i samma frekvensområde, JVLA i New Mexico i USA.

Senare under det här årtiondet ska teleskopet enligt planen utökas med tusentals paraboler och antenner i både Australien och i Sydafrikas grannländer, så att det slutligen uppnår sin fulla yta: en miljon kvadratmeter.

Vissa av de små antennerna i Australien ser ut som mekaniska julgranar, medan andra är spindelliknande. Deras uppgift är att registrera radiovågor med lägre frekvenser, i området 50–350 megahertz. Det gäller bland annat de vågor som kommer från den tidiga perioden i universums historia. De har färdats så långt att de längs vägen har sträckts ut på grund av universums expansion.

Det gör det möjligt för astronomerna att undersöka hur de första stjärnorna och galaxerna blev till.

De cirka 131 000 antennerna i Australien fördelas på 512 stationer längs en 65 kilometer lång sträcka.

SKA kommer att utforska de största mysterierna

SKA kommer att bli ett veritabelt multiverktyg för astronomerna. Med det nya teleskopet kan de utforska universums stora mysterier, från de mest grundläggande naturlagarna till frågan om huruvida vi är ensamma i universum eller inte.

Radiovågor
© R Boomsma et al./A&A

Hur blev de första galaxerna till?

SKA-teleskopets känslighet och räckvidd gör det möjligt att kartlägga galaxer i utkanten av det synliga universum. Då kan astronomerna följa deras utveckling ända tillbaka till universums barndom för över 13 miljarder år sedan.

Universums expansion
© Shutterstock

Varför accelererar universums expansion?

Universum utvidgas hela tiden, men utvidgningen är inte konstant. Under de senaste fem miljarder åren har den accelererat. Genom att titta närmare på utbredningen av väte, det vanligaste grundämnet, kommer SKA att kunna undersöka varför det sker.

Radiovågor
© Mark Myers/OzGrav ARC Centre of Excellence

Håller Einsteins teori om gravitationen?

Enligt Einsteins relativitetsteori kröks tid och rum av stora massor i rörelse. Genom att studera pulsarer som kretsar runt svarta hål och avger plymer av radiovågor kan SKA se om teorin håller även i extrema fall.

Radiovågor i rymden
© Shutterstock

Finns det tecken på liv på främmande planeter?

Om atmosfären kring exoplaneter innehåller ämnen som kan vara tecken på liv kommer SKA att kunna hitta dem. Ämnena framträder för att de absorberar vissa våglängder i radiostrålningen som är på väg mot oss.

Genom att sprida ut antenner och paraboler på två kontinenter kommer SKA att kunna utforska stora delar av himlen samtidigt, men forskarna kan också välja ut vissa grupper av antenner för att fokusera på en viss del av himlavalvet.

Söker efter främmande civilisationer

När teleskopet är helt färdigt år 2030 ska det enligt planen finnas upp till en miljon små antenner i Australien och tusentals paraboler i Sydafrika.

13 terabyte data per sekund ska SKA samla in, motsvarande 300 spelfilmer.

Det blir mycket data att analysera. Varje sekund kommer teleskopet att ta emot 13 terabyte data, motsvarande omkring 300 spelfilmer i HD-kvalitet. Därför krävs inte bara superdatorer, utan även blixtsnabba fiberförbindelser som kan överföra de stora datamängderna.

Ett av de mer spekulativa användningsområdena för SKA blir sökandet efter intelligenta varelser på andra planeter, om det nu finns några sådana.

På senare år har forskningsprojektet Seti, som letar efter tecken på intelligent liv i andra delar av universum, alltmer kommit att inriktas på så kallade teknosignaturer, signaler från andra stjärnor eller exoplaneter som kan avslöja en främmande civilisations teknik. Det kan exempelvis röra sig om radiostrålning från en rymdfarkost.

Om denna del av SKA:s uppdrag lyckas är naturligtvis tvivelaktigt. Säkert är dock att teleskopet kommer att ge astronomerna en hel del nya kunskaper om universum. Kanske blir det mest intressanta med SKA upptäckten av okända fenomen som astronomerna inte hade en aning om låg och väntade på dem där ute.