Het heelal als een gigantische laser: gigamaser ontdekt op 8 miljard lichtjaar van de Aarde

Een buitengewoon kosmisch signaal opgevangen vanuit Zuid-Afrika

Een radiotelescoop in Zuid-Afrika ving een krachtig signaal op dat miljarden jaren geleden werd uitgestuurd — vergelijkbaar met een laserstraal afgevuurd vanuit een uithoek van het heelal. Wetenschappers herkennen dit signaal als een gigamaser: een uitzonderlijk krachtige radiobron die ontstaat door de botsing van twee sterrenstelsels.

Strikt genomen gaat het niet om een laser, maar om een maser. Het werkingsprincipe is vergelijkbaar, alleen verschilt de golflengte. Waar een laser gebundelde fotonen van zichtbaar licht produceert, genereert een maser fotonen in het microgolfbereik. Wanneer zo’n bron met een buitengewone intensiteit straalt, spreken wetenschappers van een gigamaser — en dat is precies wat hier aan de hand is.

Het systeem HATLAS J142935.3–002836 op 8 miljard lichtjaar afstand

Het signaal is afkomstig uit het gecatalogiseerde systeem HATLAS J142935.3–002836, dat zich op ongeveer 8 miljard lichtjaar van de Aarde bevindt. Dit betekent dat we een verschijnsel waarnemen dat plaatsvond toen het heelal slechts 5,8 miljard jaar oud was. De radiotelescoop MeerKAT, in gebruik in Zuid-Afrika, ving een extreem smalle frequentieband op met een opmerkelijke helderheid.

Voordat het signaal de Aarde bereikte, legde het een onvoorstelbaar lange reis door de kosmische ruimte af, waarbij het verzwakte en als het ware weerkaatste op de gekromde structuur van de ruimtetijd. De gigamaser van het HATLAS-systeem behoort tot de krachtigste radiosignalen die ooit op een dergelijke afstand zijn geregistreerd.

Wetenschappers schatten dat de helderheid ervan overeenkwam met die van ongeveer driehonderdduizend Zonnen. Belangrijk daarbij is dat deze energie niet verspreid was over het volledige stralingsspectrum, maar geconcentreerd in een uiterst smalle frequentieband die gekoppeld is aan specifieke energieovergangen van OH-moleculen.

Een botsing van sterrenstelsels als kosmische zender

Fantasierijke verklaringen — zoals berichten van buitenaardse beschavingen of een stervende ster — zijn hier niet van toepassing. De analyse wijst op iets veel groters: de botsing van twee massieve sterrenstelsels binnen het HATLAS-systeem. Beide waren rijkelijk voorzien van gas, wat een bepalende rol bleek te spelen.

Tijdens zo’n botsing — die tientallen miljoenen jaren duurt — worden enorme gaswolken samengeperst en heftig door elkaar gemengd. In dit geval bevonden miljarden miljarden moleculen van het hydroxylradicaal (OH), opgebouwd uit één zuurstofatoom en één waterstofatoom, zich in zeer specifieke fysische omstandigheden. OH-moleculen kunnen een toestand van hoge energie bereiken die bekend staat als populatie-inversie.

In die toestand gedraagt elke molecuul zich als een klein energiereservoir. Één impuls is genoeg om energie uit te stralen in de vorm van radiotfotonen. Zodra de eerste foton in de wolk verschijnt, kan die naburige moleculen aanzetten tot het uitzenden van identieke fotonen — een zichzelf voedend lawine-effect dat stap voor stap groeit.

De chaotische gaswolk gedraagt zich daarmee als een kosmische microgolflaser: de energie bundelt zich in één smalle straal die slechts één richting uitschiet. De eerste OH-molecuul zendt een foton uit op een bepaalde frequentie, dat foton stimuleert aangrenzende moleculen om identieke fotonen uit te zenden, en het proces herhaalt zich terwijl het signaal coherent wordt versterkt.

Hoe een kosmische maser ontstaat

Het resultaat is een opmerkelijk geordende bundel waarbij alle golven precies in dezelfde fase samenvallen. In plaats van destructief te interfereren zoals bij een chaotische bron, versterken ze elkaar juist. Dat is precies wat de gaswolk verandert in een natuurlijke microgolfversterker — oftewel een maser.

Elk type molecuul beschikt over een eigen set toegestane energieovergangen en daarmee kenmerkende emissie- of absorptiefrequenties. Voor het hydroxylradicaal zijn dit precies die spectraallijnen die zichtbaar zijn in het masersignaal. Dankzij dit mechanisme verspreidt de energie zich niet over andere golflengten, en maakt de concentratie de emissie detecteerbaar op enorme afstanden.

Voor wetenschappers die werken met de radiotelescoop MeerKAT leek het aanvankelijk slechts een lichte verstoring in het kosmische ruis. Maar op de plek van oorsprong was de helderheid van de maser gelijk aan die van honderdduizenden sterren vergelijkbaar met de Zon. In de loop van miljarden jaren verzwakte het signaal, verweven met gravitationele en magnetische velden, maar het behield voldoende kracht om de instrumenten op Aarde te bereiken.

Dubbele versterking: kwantumfysica én gravitationele lens

Onderzoekers ontdekten dat een deel van het fenomeen een extra versterking omvatte. Onderweg stuitte het signaal op een massief sterrenstelsel waarvan de zwaartekracht de lokale ruimtetijd vervormd had, waardoor het functioneerde als een reusachtige gravitationele lens die de doorgaande radiogolven bundelde en versterkte.

Een gravitationele lens vereist geen kunstmatig apparaat — een grote massa volstaat. Vanuit het perspectief van een waarnemer op Aarde is het effect vergelijkbaar met het bekijken van een verre lamp door een optische lens: het beeld wordt helderder en soms vervormd. Bij de antennes van MeerKAT arriveerde dus een signaal dat eerst op kwantumniveau was versterkt en daarna nog eens extra werd opgevoerd door de geometrie van het heelal zelf.

Zonder deze dubbele versterking zou een dergelijke emissie buiten het bereik van onze instrumenten gebleven zijn. Wetenschappers in Zuid-Afrika, in samenwerking met onderzoekers van diverse instellingen, konden dankzij nauwkeurige metingen van de kenmerkende frequenties de oorsprong van het signaal in het HATLAS-systeem bevestigen — een indrukwekkend resultaat voor de moderne radioastronomie.

Waarvoor gebruiken wetenschappers gigamasers?

Gigamasers spelen een essentiële rol bij het bestuderen van afgelegen gebieden van het heelal. Ze fungeren als betrouwbare markeringen waarmee astronomen het volgende kunnen doen:

• Zones van intense galactische botsingen en fusies lokaliseren
• De verdeling en dichtheid van interstellair gas in verre tijdperken bestuderen
• Kosmische afstanden nauwkeuriger meten dankzij kenmerkende moleculaire frequenties
• Onderzoeken hoe de sterrenvorming door de geschiedenis van het heelal heen is veranderd
• De fysische omstandigheden analyseren in gebieden met extreme gascompressie
• Modellen voor gravitationele lenswerking op grote afstanden toetsen

Masers functioneren daarmee als kosmische vuurtorens die gebieden aanwijzen waar energierijke processen plaatsvinden — ook al zijn ze zelf slechts een neveneffect van die processen. Ze stellen ons in staat de loop van spectaculaire gebeurtenissen zoals galactische botsingen te reconstrueren, zonder ze in real time te hoeven waarnemen.

Het maserprinciep vergeleken met de alledaagse laser

Hoe exotisch een maser ook mag klinken, het achterliggende principe lijkt sterk op dat van de gewone lasers in onze dagelijkse technologie. In beide gevallen gaat het om gestimuleerde emissie van straling, waarbij fotonen nabije atomen of moleculen aanzetten tot het uitzenden van identieke fotonen. Het belangrijkste verschil zit in de frequentie en de schaal.

De laser in een optische lezer, een aanwijzer of een medisch apparaat werkt met licht dicht bij het zichtbare spectrum. De kosmische maser opereert op microgolven en ontstaat spontaan, zonder enige technologie, als bijproduct van extreme astrofysische processen. Voor de wetenschap is het een inspiratiebron: de ideeën achter masers en lasers werden parallel ontwikkeld, en de waarneming van natuurlijke masers toont hoe efficiënt de natuur straling kan organiseren en versterken.

Gigamasers en de toekomst van de radioastronomie

In de toekomst zal MeerKAT deel uitmaken van een nog ambitieuzere onderneming: het netwerk van radiotelescopen bekend als de Square Kilometre Array. Deze instrumenten zullen nog zwakkere signalen kunnen opvangen en veel grotere delen van de hemel met hoge resolutie doorzoeken. Hoe meer gigamasers worden geïdentificeerd, hoe nauwkeuriger wetenschappers de geschiedenis van galactische fusies, het tempo van sterrenvorming en de rol van gas in deze processen kunnen reconstrueren.

Dit alles beïnvloedt de modellen voor de evolutie van grootschalige kosmische structuren, van afzonderlijke sterrenstelsels tot enorme superclusters. Masers tonen aan hoe een smalle band en perfecte fasecohesie een gewone gaswolk kunnen omzetten in een krachtige zender, zichtbaar op miljarden lichtjaren afstand.

Onderzoekers van universiteiten en observatoria wereldwijd blijven de gegevens van MeerKAT analyseren en bereiden toekomstige waarnemingen voor die soortgelijke objecten moeten onthullen. Elke nieuwe gigamaser draagt waardevolle informatie aan over de fysische omstandigheden in het vroege heelal en helpt kosmologische modellen verder te verfijnen.