Detta är berättelsen om hur ett gåtfullt fenomen använts för att utforska ett annat. Korta blixtar av radiostrålning från avlägsna galaxer har förbryllat astronomerna i flera år. Dessa blixtar, vars upphov är oklart, har nu använts för att hitta universums saknade materia.
Att förklara den mörka materien (som utgör 85 % av universums materia) på ett tillfredställande sätt har fortfarande ingen lyckats med. Till råga på detta har man dessutom inte ens kunnat hitta all den vanliga materia som finns i världsalltet. Man vet att ca sju procent av den vanliga materien utgörs av stjärnor och en att betydande del är gas mellan galaxerna. Ca 40 % av den vanliga materien har man dock hittills inte sett till förrän nu.
En radioblixt (på engelska FRB, Fast Radio Burst) är ett kortlivat men energirikt fenomen som upptäcktes 2007. Vid en genomgång av arkivdata från 64 m radioteleskopet i Parkes hittades en radiosignal som uppträtt 2001 och detekterats i fem millisekunder innan den upphörde. Det mesta tydde på att signalen kom från en astronomisk källa, belägen utanför vår galax Vintergatan. Sedan dess har över 100 sådana blixtar observerats, spridda över hela himlavalvet.
Jakten på radioblixtarna
Att närmare undersöka blixtfenomenet var svårt, eftersom radioblixtarna inte verkade upprepa sig. Observationer gjorda november 2012 med Arecibo-teleskopet avslöjade en radioblixt som visade sig vara återkommande. Korta radioblixtar från samma del av himlen observerades 2015, och signalernas egenskaper tydde på att de kom från samma källa. Observationer i synligt ljus visade att denna återkommande radioblixt har sitt ursprung i en dvärggalax drygt tre miljarder ljusår bort, i stjärnbilden Kusken. Sedan dess har fler återkommande radioblixtar hittats, däribland en som verkar ha en period på ca 16 dygn.
Astronomerna uppskattar att det över hela himlen sker ungefär 1000 radioblixtar varje dygn, men de är svåra att hitta. På en millisekund sänder en radioblixt ut ungefär lika mycket energi som solen gör på ett år och en hel katalog av mekanismer har föreslagits för att förklara utbrotten. Teorierna sammanfattas på en särskild webbsida. Mikrovågsugnar (!) har redan kunnat avföras från listan. Flera av teorierna handlar om neutronstjärnor som möter något annat kompakt objekt. Franz Kirsten, radioblixtexpert vid Onsala rymdobservatorium, sammanfattade bakgrunden i Populär Astronomi, nr 2018-2.
Hur mycket materia finns egentligen mellan galaxerna?
Fast mekanismen bakom radioblixtarna fortfarande är oklar går det ändå att använda signalerna från deras utbrott som redskap. Den Australien-ledda gruppen har mätt en egenskap som kallas dispersionsmått, som kan visa på vilken elektrontäthet en radiopuls stött på under sin väg genom kosmos.
Dispersion (spridning) av radiostrålning som passerar en samling elektroner gör att signaler med högre frekvens når mottagaren först, innan signaler med lägre frekvens kommer fram. Mäter man denna tidsskillnad och känner till källans avstånd kan mängden materia mellan oss och källan uppskattas. Mängden materia inuti Vintergatan är ganska välkänd och kan räknas bort, för att förbättra uppskattningen av materiemängden ute mellan galaxerna.
Att mäta dispersion har varit vanligt för radiostrålning från pulsarer i vår egen galax. Metoden föreslogs för att mäta mängden materia mellan galaxerna av den ryske fysikern Vitalij Ginzburg redan 1973. Ännu tidigare hade den amerikanske radioastronomen Fred Haddock och brittiske fysikern Dennis Sciama varit inne på ett liknande spår, i en artikel från 1965. Först på 2000-talet, när radioblixtarna upptäckts, blev förslaget möjligt att genomföra i praktiken.
Den heta, relativt täta gasen inuti galaxhopar sänder ut röntgenstrålning och är därmed ganska lätt att observera. Den glesa gasen (ca en atom/kubikmeter) i rymden ute mellan galaxhoparna är däremot svårare att hitta, men med radioblixtarna som sökarljus har det nu gått att komma även denna gas på spåren på ett effektivt sätt.
Med ett stickprov på åtta radioblixtar skred gruppen, som letts av den i juni bortgångne Jean-Pierre Macquart, till verket. De flesta av radioblixtarna observerades med antennsystemet ASKAP, bestående av 36 radioteleskop belägna i västra Australien. Med så kallad interferometri gjorde ASKAP det möjligt att mäta radioblixtarnas lägen på himlen. Alltså kunde galaxerna där blixtarnas källor låg identifieras och avstånden till dem mätas genom den vanliga metoden med rödförskjutning. Blixtarnas källor var avlägsna, belägna mellan en och sex miljarder ljusår bort.
Utrustade med dispersionsmåtten, avstånden och statistiska beräkningar kunde Macquarts grupp bekräfta att ca fem procent av universums materieinnehåll är ”vanlig” materia, i grunden lik den som omger oss till vardags. Detta uppmätta värde innefattar den tidigare saknade materien och stämmer med Big Bang-kosmologin.
Vad mer kan radioblixtarna användas till?
Radioblixtarna var en oväntad upptäckt och mekanismerna bakom blixtarna är alltjämt oklar. Trots gåtfullheten har astronomerna inte varit nödbedda när det gällt att använda radioblixtarna som verktyg i letandet efter den saknade materien. Finns det något annat astronomiskt problem där blixtarna redan nu kan vara till hjälp? Populär Astronomi ställde frågan till Franz Kirsten i Onsala:
– En annan spännande tillämpning vore att använda radioblixtar för att mäta Hubble-konstanten, som är ett mått på universums expansionstakt. För detta behövs en radioblixt som syns genom en gravitationslins, alltså där gravitationen från en galax i förgrunden böjer av radiostrålningen så att upp till fyra olika ”bilder” av blixten når observatören, berättar han.
– Dessa fyra olika ”bilder” av radioblixten kommer fram med några månaders eller års fördröjning, då radiostrålningen tagit lite olika vägar genom rymden. Genom att klocka fördröjningen går det att få ett oberoende mått på Hubble-konstanten, avslutar Kirsten.
Att använda gravitationslinser på detta sätt föreslog den norske astronomen Sjur Refsdal redan 1964. Hittills har man provat metoden med ljus från kvasarer respektive supernovor, sedda genom gravitationslinser. Snart kan förhoppningsvis Refsdals metod användas även på radioblixtarna.
