Radioboelger

Radiobølger fortæller universets historie

De næste ti år skyder tusindvis af antenner op i Sydafrika og Australien. Tilsammen danner de SKA, verdens største radioteleskop. Antennerne vil fungere som én kæmpeparabol, der aflytter signaler fra hele universets historie.

De næste ti år skyder tusindvis af antenner op i Sydafrika og Australien. Tilsammen danner de SKA, verdens største radioteleskop. Antennerne vil fungere som én kæmpeparabol, der aflytter signaler fra hele universets historie.

CSIRO

I det golde naturområde Karoo i Sydafrika skyder hundredvis af hvide paddehatte op af jorden. Samtidig, 10.000 km væk i den australske outback, vokser granskove med tusinder af træer op i det knastørre landskab.

Paddehattene i Sydafrika og grantræerne i Australien er ikke et mirakuløst naturfænomen. De er menneskeskabte paraboler og antenner, der i samlet flok udgør radioteleskopet SKA (Square Kilometre Array).

Tusinder af astronomer og ingeniører har brugt 30 år på at udtænke teleskopet, som i 2021 endelig har fået grønt lys til at blive bygget. SKA bliver det største radioteleskop nogensinde og skal give svar på nogle af universets største gåder.

Det nye teleskop vil give os ny viden på alle felter inden for astronomien.

“Menneskeheden tager et nyt, kæmpe spring ved at forpligte sig til at bygge det, der bliver den største videnskabelige konstruktion af sin art på planeten,” udtaler professor Philip Diamond, leder af organisationen bag teleskopet, SKAO.

Teleskopet koster to milliarder euro at bygge og holde kørende fra 2021 til 2030, og astronomernes forventninger til det er gigantiske. Det vil give os ny viden om praktisk talt alle vigtige områder inden for astronomien. Universets udvidelse, fødslen af de første galakser, tyngdekraftens inderste natur og udbredelsen af liv i rummet er bare nogle af emnerne, SKA skal undersøge.

Radioboelger

I dette årti vil flere tusind radioparaboler blive bygget i Sydafrika, mens op mod en million mindre antenner vil skyde op i Australien.

© CSIRO/Shutterstock

Radioteleskopets følsomhed bliver uden sidestykke, og det vil fx kunne vise os billeder af universet, som er 50 gange mere detaljerede end Hubbleteleskopets.

Én af de helt store opgaver for SKA bliver at undersøge universets spæde barndom for over 13 milliarder år siden, nærmere bestemt perioden omkring 380.000 år efter big bang, hvor de første galakser begyndte at lyse op i det kulsorte univers.

Optiske teleskoper har svagheder

Astronomerne håber dermed, at SKA-teleskopet vil opfange stråling, som har brugt over 13 milliarder år på at nå hele vejen fra universets fjerneste egne frem til Jorden. Det kan lade sig gøre, netop fordi SKA skal optage radiobølger i stedet for synligt lys.

Både synligt lys og radiobølger er stråling inden for det såkaldte elektromagnetiske spektrum, men ved forskellige bølgelængder.

For at opfange synligt lys fra universet – dvs. bølgelængder omkring 380-700 nanometer – bruges der optiske teleskoper, og hvis de er placeret på landjorden, kræver det en skyfri nattehimmel at få gode resultater. Derfor ligger de optiske teleskoper ofte på bjergtoppe på den sydlige halvkugle, fx i Chile, Hawaii eller på De Kanariske Øer.

Elektromagnetisk spektrum

Synligt lys, som optiske teleskoper (th.) opfanger, udgør kun en lille del af det elektromagnetiske spektrum. Radiobølger dækker et bredere interval (tv.).

© Shutterstock

Optiske teleskoper er mindre end radioteleskoper, fordi deres spejle skal konstrueres efter ultrafine specifikationer for at kunne opfange det svage kosmiske lys i intakt form.

De korte bølgelængder gør det synlige lys sart. På sin vej mod Jorden kan det blive blokeret af fx støv, og ved mødet med Jordens atmosfære kan der opstå forvrængning af lyset, fordi turbulens får luftens brydningsindeks til at ændre sig. Det kan gøre billedet af en fjern stjerne eller galakse blødt og udtværet i stedet for knivskarpt.

Det samme gælder ikke for radiobølger, der har meget lavere frekvenser og deraf større bølgelængder. Radiobølger er meget længere end lys – de spænder fra millimeter op til flere kilometer – og de påvirkes ikke på samme måde i atmosfæren.

Radiobølger viser det usynlige

Mange objekter i universet som fx stjerner, galakser, pulsarer og sorte huller udsender radiostråling, som kan opfanges af radioteleskoper. Det skete første gang i 1931, hvor den amerikanske fysiker Karl Jansky opfangede radiostråling fra Mælkevejen.

Når radiobølgerne oversættes til bølgelængder, vi kan se, bliver det tydeligt, at de kan fortælle os ting om universets objekter, vi ikke kan se i det synlige lys, de udsender.

Maelkevejens radioboelgeomraade

Radioteleskoper opfanger masser af stråling, vi ikke kan se med optiske teleskoper. Øverst ses Mælkevejens bånd i synligt lys. Nederst ses det samme udsnit i radiobølgeområdet.

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

Et problem med radioteleskoperne er dog, at de er følsomme over for andre radiosignaler end dem, de er bygget til at opfange. Derfor bliver SKA-teleskopets antenner placeret i øde områder langt fra civilisationens mylder af radio-, TV-, og mobilsignaler.

Samtidig sikrer placeringen på den sydlige halvkugle et godt udsyn til Mælkevejens bånd på himlen, og de to udsigtspunkter i Australien og Sydafrika gør det muligt at studere det samme objekt det meste af døgnet.

For teleskoper gælder det generelt, at større er bedre, fordi et større opsamlingsareal giver højere følsomhed over for meget svage signaler. Med sin størrelse kan SKA desuden dække mere af himlen på én gang og dermed skanne den hurtigere. En tredje fordel ved størrelsen er, at opløsningen af billederne bliver bedre pga. de mange antenner og paraboler.

I dag findes verdens største radioparabol hos observatoriet FAST i Kina. Den 500 meter brede parabol giver et opsamlingsareal på 71.000 m2. Det er 14 gange mindre end SKA’s 1.000.000 m2, når det er fuldt udbygget.

Teleskop

Det største radioteleskop, der er udformet som en enkelt parabol, er i dag det kinesiske FAST. SKA-teleskopets antenner vil tilsammen virke som en parabol, der er 14 gange større.

© Ou Dongqu Xinhua/Xinhua/Ritzau Scanpix

Mens FAST består af én stor parabol, som fanger radiosignaler, bliver SKA-teleskopet konstrueret efter et helt andet princip.

Supercomputer samler signalerne

SKA udnytter en teknik kaldet interferometri, hvor et stort teleskop bygges sammen af mange små. SKA konstrueres som et såkaldt array, der er en sammensætning af mange mindre parabolskiver og radioantenner, som hver især opfanger det samme signal, men lidt forskudt fra hinanden.

Fordelen ved at konstruere teleskopet på denne måde er, at det er enklere at bygge mange små teleskoper end ét stort.

Til sidst bliver forskydningen mellem de mange signaler korrigeret og samlet af supercomputere til ét signal, så SKA i praksis opfører sig, som var det ét stort teleskop.

Tusinder af paraboler og hundredtusinder af radioantenner fordelt på to kontinenter skal fange radiobølger fra rummet – som derefter omsættes til billeder, vi kan se.

Radioboelger
© CSIRO/Shutterstock

1. Antennerne fanger radiobølger fra rummet

SKA’s paraboler og antenner opfanger radiobølger med forskellige frekvenser. De 15 meter brede paraboler i Sydafrika står for de højere frekvenser, mens de mindre antenner i Australien tager sig af det lavfrekvente område.

Computer med radioboelger
© Shutterstock

2. En supercomputer samler signalerne

De mange antenner modtager signalerne lidt forskudt fra hinanden, fordi de er forskelligt placeret. En supercomputer modtager alle data og beregner faseforskellen, så signalerne synkroniseres til ét samlet signal.

Quasar
© Jordrell Bank/SPL

3. Radiobølgerne får synlige farver

Radiobølger er ikke synlige for os, men de kan farvekodes ud fra deres bølgelængder. Dermed skabes der et billede af det objekt, radiostrålingen stammer fra – som fx her en meget aktiv galaksekerne, en såkaldt kvasar.

Udviklingen med stadig kraftigere computere har også betydet, at astronomerne i dag lynhurtigt kan udføre de beregninger, som samler de mange enkelte radiosignaler til ét signal. Det havde ikke været muligt for bare et par årtier siden, da idéen om teleskopet blev undfanget.

Teknikken kaldes apertursyntese og bruger bl.a. en matematisk beregning kaldet fouriertransformation, som er yderst krævende for computere at tygge sig igennem.

Første fase er klar i 2024

I første fase kaldet SKA1 bliver 197 paraboler med en diameter på 15 meter installeret i Sydafrika, mens omkring 131.000 radioantenner placeres i Australien.

Parabolerne i Sydafrika opfanger radiobølger ved højere frekvenser – fra 350 megahertz til 15,3 gigahertz – og kan bl.a. opfange de mystiske fænomener kaldet fast radio bursts. Det er kortvarige, men ekstremt kraftige radiopulser, som astronomerne endnu ikke har forstået processerne bag.

Radioboelger

Flere radioteleskoper, her JVLA i USA, har modtaget de såkaldte fast radio bursts. De voldsomme pulser af radiostråling kommer fra fjerne galakser, men hvordan de skabes, er en gåde.

© Danielle Futselaar

I det samme bølgelængdeområde kan forskerne også lede efter tegn på biologisk liv på andre planeter ved at undersøge sammensætningen af stoffer i deres atmosfærer.

I første fase, som forventes fuldbragt i 2024, får teleskopet et samlet opsamlingsareal på omkring 450.000 m2 og en opløsning, som er fire gange højere end det nuværende bedste radioteleskop i samme frekvensområde, JVLA i New Mexico i USA.

Senere i årtiet skal teleskopet efter planen udvides med tusindvis af paraboler og antenner i både Australien og nabolandene omkring Sydafrika, så det endelig når op på sit fulde areal på 1 km2.

Nogle af de små antenner i Australien ligner mekaniske juletræer, mens andre er edderkoppelignende, og deres opgave er at opfange radiobølger med lavere frekvenser i området 50-350 megahertz. Det gælder fx de bølger, som stammer fra den tidlige periode i universets liv og har rejst så langt, at de undervejs er blevet strakt længere ud på grund af universets udvidelse.

Her vil astronomerne kunne undersøge, hvordan de første stjerner og galakser blev til.

De cirka 131.000 antenner i Australien fordeles over 512 forskellige stationer over en strækning på 65 km.

SKA udforsker de største mysterier

SKA bliver et multiværktøj for astronomerne. Med teleskopet kan de udforske alle universets store mysterier – fra de mest grundlæggende naturlove til spørgsmålet om, hvorvidt vi er alene i universet.

Radioboelger
© R Boomsma et al./A&A

Hvordan blev de første galakser til?

SKA-teleskopets følsomhed og rækkevidde gør det muligt at kortlægge galakser i udkanten af det synlige univers. Dermed kan astronomerne følge deres udvikling helt tilbage i universets barndom for mere end 13 milliarder år siden.

Universets udvidelse
© Shutterstock

Hvorfor accelererer universets udvidelse?

Universet udvider sig hele tiden, men udvidelsen er ikke konstant – de seneste fem milliarder år er den accelereret. SKA skal undersøge, hvorfor det sker, ved at se nærmere på udbredelsen af det mest almindelige grundstof, brint.

Radioboelger
© Mark Myers/OzGrav ARC Centre of Excellence

Holder Einsteins teori om tyngdekraften?

Ifølge Einsteins relativitetsteori bliver tid og rum vredet rundt af store masser i bevægelse. Ved at observere pulsarer, som kredser om sorte huller og udsender faner af radiobølger, kan SKA se, om teorien også holder i ekstreme tilfælde.

Radioboelger i rummet
© Shutterstock

Er der livstegn på fremmede planeter?

Hvis atmosfæren omkring exoplaneter rummer stoffer, som kan være tegn på liv, vil SKA kunne finde dem. Stofferne vil afsløre sig selv ved at absorbere bestemte bølgelængder i radio­strålingen på vej mod os.

Spredningen af antenner og paraboler over to kontinenter gør SKA i stand til at udforske store dele af himlen samtidig, men også at udvælge klynger af antenner til at fokusere på et bestemt område af himlen.

Jagt på fremmede civilisationer

Når teleskopet er fuldt udbygget i 2030, vil der efter planen være op til en million af de små antenner i Australien og flere tusind paraboldiske i Sydafrika.

13 terabytes data vil SKA samle i sekundet – det svarer til 300 spillefilm.

Der bliver rigeligt med data at analysere. Hvert sekund vil teleskopet modtage 13 terabytes data svarende til omkring 300 spillefilm i HD-kvalitet. Derfor kræves der ikke kun supercomputere, men også lynhurtige fiberforbindelser, som kan fragte de store datamængder hen til dem.

En af de mere spekulative anvendelser af SKA bliver søgen efter intelligente væsner på andre kloder – hvis altså de findes.

I de senere år har den såkaldte SETI-forskning, der søger efter tegn på intelligent liv andre steder i universet, øget sit fokus på såkaldte teknosignaturer. Det er signaler fra andre stjerner eller exoplaneter, som afslører en fremmed civilisations teknologi. Det kan fx være radiostråling fra et rumskib.

Om denne del af SKA’s mission lykkes, er naturligvis tvivlsomt. Men sikkert er det, at teleskopet vil gøre astronomerne meget klogere på vores univers. Og måske bliver det mest interessante ved SKA opdagelsen af helt nye fænomener, som astronomerne ikke anede lå og ventede på dem derude.