Spaning efter universums äldsta stjärnor

Det är en klar dag, och havsytan störs bara av en lätt krusning. Solljuset som sprids i atmosfären bildar ett blått valv över Onsala rymdobservatorium. Världsalltets alla stjärnor, galaxer och kosmiska fenomen är effektivt dolda för blotta ögat. Men de finns kvar bortom det blå. Det är den förvissningen som gör att astronomen Tobia Carozzi kan stå här och säga att själva himlen nu kan fungera som en extra hårddisk för forskarna.

– Det går att titta en gång till om det skulle behövas.

Radioastronomernas mätningar kan ta upp så mycket utrymme i datorerna att det blir orimligt att spara ofiltrerade mätdata. Då raderas de. I stället för att lagra mätningarna ”i molnet” – det vill säga i datornätverk där användaren inte behöver hålla reda på var filerna sparas – litar astronomerna på att informationen finns kvar i universum.

Vi står framför den jättelika vita golfboll som kallas radomen, som höjer sig över forskarnas röda huslängor. Den är ett skyddande hölje som gömmer en 20 meter bred parabolisk antenn som fångar upp och fokuserar radiovågor från universum. På klipporna ut mot havet ser vi flera andra. Den eleganta 25-metersantennen i genombruten grå metall sträcker sig mot himlen strax intill två helt nyinstallerade och skinande vita tvillingantenner.

– Min mamma brukar fråga vad vi kan se med de här teleskopen, egentligen. Det går väl inte att se radio, säger hon. Men om du hade haft radioögon, då hade du kunnat det. Fast det är kanske tur att vi inte har det, för då hade vi blivit bländade av alla mobiltelefoner.

På vägen ut till rymdobservatoriet måste alla besökare stänga av sina telefoner för att inte störa de känsliga instrumenten. Radiotysta områden är alltmer svårfunna.

Vad skulle radioögon kunna se på en sådan här plats?

– Solen, säger Tobia Carozzi. Även genom moln, och genom de flesta byggnader. Natthimlen skulle vara ganska annorlunda. Man skulle inte se stjärnorna på samma sätt, och de stjärnor och avlägsna radiokällor som syns skulle inte vara lika punktformiga. Men Vintergatan skulle vara mycket tydligare, ett ljust band rakt över himlen.

Radiovågor är betydligt längre än vågorna i det synliga ljuset. Regnbågens färger täcker in våglängder som räknas i bråkdelar av en tusendels millimeter, medan radioastronomin börjar vid millimeterlånga vågor och fortsätter till dem som är flera meter. Mottagaren måste vara av liknande storlek som den våglängd som ska fångas upp. Dessutom behövs det flera mottagare för att forma en bild. Jämför med ett vanligt mänskligt öga, som innehåller många tusen synceller. Ögon känsliga för radiostrålning skulle alltså behöva vara opraktiskt stora för en människokropp.

Där sinnena inte räcker till konstruerar forskarna nya. Radiosinnet byggs upp av celler i form av radioantenner: paraboltallrikar, som här framför oss, eller parker av metallpinnar, som på ett fält en bit bort. Impulserna från dem tas om hand i ett konstgjort nervsystem av fiberkablar och datorhallar. Det blir en främmande sorts sinnesapparat, och för att astronomer ska kunna ta till sig informationen behövs en översättning till något som människor kan uppfatta. Det är Tobia Carozzis specialområde. Och det är något som blir alltmer krävande med de nya instrument som byggs.

– Det kan ta tjugo timmar att framkalla en bild från tio timmars observation. Det behövs mer forskning om sätt att göra det här effektivt. Det gäller att kunna komma i kapp, för en klump på tio terabyte kan sitta i vägen så att det inte går att ta nya data.

Astronomin har blivit ett av de forskningsfält som utmanar dagens datorer och vad som går att åstadkomma med dem.

Efter att signalerna har behandlats är resultatet oftast en bild. Men i vissa fall ligger det närmare till hands att tolka radiostrålning som ljud. Radiostrålning från norrsken kan ge en serie av visslingar och kvitter. Rymdens pulsarer spelas upp som regelbundna hjärtslag.

Här i Onsala bryts stillheten av en annan sorts ljud. Paraboltallriken på det norra av tvillingteleskopen vrids runt med ett beskedligt motorsurr. De vita antennerna håller precis på att trimmas in och ska snart tas i bruk. De ska pejla in mycket starkt lysande avlägsna galaxer, som blir referenspunkter på himlen för att man ska kunna mäta jordens rörelser. På så vis går det att fånga upp små skiftningar i jordens rotation, och att mäta den långsamma glidningen av jordaxelns lutning och kontinenternas drift över jordytan.

Onsala rymdobservatorium är en nationell anläggning, som tillhandahåller instrument för forskare i hela Sverige. Men forskningen vet inga nationsgränser. Radioteleskopen används tillsammans med andra teleskop på hela planeten i olika forskningsnätverk.

– Det går inte att bara ha ett teleskop på bakgården och göra spjutspetsforskning med det, säger Tobia Carozzi.

Radiostrålningen som fångas upp på olika platser kan läggas ihop och tolkas som om teleskopen hade varit ett och samma instrument, lika stort som avståndet mellan dem. Ju längre ifrån varandra teleskopen står, desto noggrannare går det att avgöra riktningen till en viss radiokälla. Då blir den en liten punkt i bilden i stället för en diffus fläck.

– Med tusen kilometers avstånd mellan teleskopen blir upplösningen så fin att det går att jämföra med att läsa tidningen tvärs över en kontinent.

Nyligen bidrog mätningar härifrån Onsala till att ringa in en källa till så kallade radioblixtar, ett gåtfullt fenomen som har fångat många forskares intresse (se F&F 2/2017).

Astronomer i Sverige arbetar också med att utveckla och driva teleskop och observatorier på andra platser i världen. Tobia Carozzi och flera andra personer här på rymdobservatoriet är nu inblandade i förberedelserna av den ojämförligt största anläggningen för radioastronomi som någonsin har byggts: Square kilometre array (SKA), som ska konstrueras i den sydafrikanska öknen.

På satellitbilden i Google maps syns en brun slätt omgiven av rundade berg, genomkorsad av ett stråk av grönt som kanske avslöjar ett vattendrag. Marken pryds av en märklig etsning, som ett oregelbundet spindelnät behängt med små droppar. Spindeltrådarna är vägar som går mellan plattformarna till parabolantennerna i MeerKAT, förstadiet till det som ska bli SKA. Sommaren 2016 hade sexton antenner installerats och börjat tas i bruk.

En annan del av SKA kommer att finnas i Australien. Där utformas instrumenten för att snabbt söka av större områden av himlen. Sedan kan djupdykningen – och de nya upptäckterna – göras med hjälp av den sydafrikanska anläggningen.

Föreståndaren för Onsala rymdobservatorium, John Conway, sitter med i styrelsen för SKA. Han har varit där och sett platsen med egna ögon.

– Till den australiska platsen tar det ett par timmar att flyga från Perth över ingenting, berättar John Conway. Det är ett område stort som Nederländerna med en befolkning på fyra personer. I Sydafrika är det inte riktigt lika isolerat, där är det bara 3–4 mil till närmaste samhälle.

Mil på mil av ingenting. Teleskopdiskarna reser sig över en tom slätt med torra buskar. Hur är det egentligen att befinna sig och arbeta på en sådan plats? John Conway sjunker ihop lite i stolen. Målande skildringar är inte hans gren.

– Jaa … det är paraboldiskar. Och så är det öken. Jag vet inte riktigt. Jag har sett det så mycket och är så van vid sådant sedan jag jobbade med radioteleskopet VLA i New Mexico. Men andra som kommer på besök säger att det är fantastiskt.

Han blir betydligt mer entusiastisk när det handlar om vad han hoppas få ut av SKA, rent vetenskapligt.

– Vi vill upptäcka det okända! Vi vet inte vad vi kan få se.

Samtidigt finns det planer för bestämda studier som ska genomföras. SKA kommer att kunna söka efter de första stjärnorna, för att se när de bildades. När universum utvidgas blir ljuset alltmer uttänjt och långvågigt – det kallas kosmologisk rödförskjutning. Det allra äldsta ljuset är numera så långvågigt att det har blivit radiovågor.

En annan uppgift blir att utforska de mystiska radioblixtarna. Hittills har astronomer upptäckt några få per år, men enligt John Conway kan SKA så småningom se upp till tusen stycken varje dag. Observationer av radioblixtarna kan avslöja hur mycket stoft rymden innehåller i olika riktningar. Förutom att undersöka vad som orsakar radioblixtarna kan teleskopen alltså användas som ett verktyg för att testa olika modeller för universums struktur.

Konstruktionen av anläggningen MeerKAT är i full gång och ska omfatta totalt 62 antenner. Det egentliga SKA är tänkt att börja byggas 2018.

– Mot slutet av 2018 blir det väl, som det ser ut nu, säger John Conway.

Av hans minspel att döma verkar det inte vara så lätt att få saker att hända på utsatt tid.

Hittills har SKA drivits som ett bolag för utvecklingsarbete, men det som ska grundas härnäst är organisationen för att bygga och driva ett fullskaligt observatorium. Först måste finansieringen säkras och fem länder skriva på. John Conway hoppas att det ska bli klart i sommar.

SKA kommer att omfatta 200 paraboler i den första omgången, som ska vara avslutad ungefär 2024. Ju fler antenner, desto känsligare blir det sammanlagda teleskopet, så att det kan urskilja riktigt svaga radiokällor. Efter den första fasen är planen att fortsätta bygga ut anläggningen. Det blir nog tio gånger så många antenner, tror John Conway.

– Det kommer att ske under detta århundrade, så länge det fortsätter att finnas människor som vill lägga pengar på radioastronomi.

Pengar behövs, men det är mycket annat som ska till också. Beskrivningarna av vad som krävs för den fullt utbyggda anläggningen är riktigt respektingivande.

Optisk fiberkabel kommer att läggas ut i sådan mängd att det skulle räcka två varv runt jorden. Alla antenner ska arbeta tillsammans som ett enda teleskop, och då måste signalerna från dem kombineras i ett superddatorcentrum. Varje enskild signal måste kontrolleras och passas ihop med de andra, med justeringar för hur lång tid det tar för respektive signal att passera genom sin kabel till datorn. Automatiska metoder ska rensa bort brus och felaktiga signaler. Och allt detta ska ske i realtid, medan nya mätningar fortsätter strömma in.

Mängden information som ska flöda mellan de olika delarna i SKA är helt överväldigande. Det blir mer än hela det nuvarande internet, enligt organisationens webbplats. Elförbrukningen kommer att motsvara ett stort kraftverk, som också måste byggas. Tanken är att utnyttja öknens goda tillgång på sol.

Allt detta går inte att göra med dagens teknik. Planeringen innefattar alltså även sådant som förväntas utvecklas under de närmaste åren och decennierna. Forskningen om SKA handlar inte bara om de astronomiska fenomenen, utan också om sådant som det effektivaste sättet att dra kablar, och hur elförsörjningen med solpaneler ska gå till.

Anläggningen kommer att få stor betydelse för infrastrukturen och befolkningen i området. Organisationen samarbetar med lokala skolor för att väcka intresse och på längre sikt kunna rekrytera all teknisk personal som kommer att behövas.

– Jag gillar att SKA stöder den lokala infrastrukturen, säger Tobia Carozzi. Det blir till nytta för folk på platsen. Samma teknikkunskaper är gångbara även inom telekombranschen.

Tobia Carozzi förväntar sig att själv få fara dit och se platsen när det är dags att installera de mottagare som Sverige bidrar med.

Jämfört med alla andra astronomiprojekt är SKA större och mera på alla ledder. Samtidigt är projektet en fortsättning på en utveckling som har pågått länge. Varje ny teknisk möjlighet har öppnat nya fönster mot universum, och numera handlar det mycket om datorkraft. Den ensamma stjärnskådaren vid sitt teleskop kompletteras i dag med ett omfattande samarbete. Det är big science och big data, även inom astronomin. Instrumentens förmåga räknas inte bara i optik och vinkelupplösning av himlavalvet, utan också i digitalt lagringsutrymme och beräkningshastighet.

Det är utanför det synliga våglängdsområdet som de riktigt stora databehoven finns. Delar av astronomin överlappar numera partikelfysiken, som länge byggt upp stora anläggningar och utvecklat metoder för att samla och hantera enorma datamängder. SKA samarbetar med det europeiska partikelfysiklaboratoriet Cern för att ta vara på lärdomar därifrån.

Det är intressant att jämföra radioastronomernas utmaningar med till exempel Yvonne Becherinis erfarenheter. Hon är forskare vid Linnéuniversitetet i Växjö och arbetar i gränslandet mellan astronomi och partikelfysik, bland annat genom att använda mätningar från anläggningen HESS i Sydafrikas grannland Namibia. Återigen är det fråga om en samling antenner i en öken. Men medan radioastronomerna spanar efter längre våglängder än vanligt ljus, är HESS i stället till för att fånga upp mycket kortare våglängder än sådana som vi kan se. Yvonne Becherini söker efter astronomiska fenomen med extrema energier, bortom vår galax.

Att handskas med de mätningar som görs av HESS på dess otillgängliga plats är en utmaning i flera led.

– Doktorander och postdoktorer får åka till Namibia för att hjälpa till med observationerna, och när de reser hem får de ta med sig databand i väskorna, berättar Yvonne Becherini.

Banden blir inlästa på superdatorcentrum i Frankrike och Tyskland. Sedan får forskarna koppla upp sig dit och köra sina analysprogram på datorerna där. I ofiltrerad form är det helt enkelt så mycket data att det inte går att flytta hem till Sverige ens över bredband.

– Vi skulle behöva använda en lastbil och transportera fysiska hårddiskar!

Det är först efter en hel del databearbetning som en hanterlig sammanställning av mätresultaten kan kopieras till Sverige.

Astronomer talar ibland om störtfloder av data, om att drunkna i mätningar, om att behöva hålla stånd mot en dataöversvämning. Det låter drastiskt, men det handlar alltså om dagliga, konkreta problem.

På Onsala rymdobservatorium finns en av stationerna i ett radioteleskop som heter LOFAR. Det är ett äldre syskon till SKA, fördelat i fem europeiska länder. Antennerna här är inte vackra paraboltallrikar, utan två typer av instrument som står direkt på marken. Den ena sorten består av metallpinnar som sticker upp ur rutor av armeringsjärn, den andra ser ut som mörka plastlådor. Men man ska inte låta sig luras av det anspråkslösa utseendet. Det här är mottagarna i ett avancerat system, som till stor del består av datorerna som hanterar mätsignalerna.

Tobia Carozzi visar med händerna hur en radiovåg som kommer in mot jorden från en viss riktning kommer att fångas upp först av de närmaste antennerna, och lite senare av dem som är längre bort. Samtidigt kommer andra vågor från andra håll. Antennerna fångar upp allihop, hela tiden. Men signalerna som tas emot kan läggas ihop i datorn med olika tidsfördröjningar, för att på så vis i efterhand ställa in LOFAR-teleskopet för att spana i en viss riktning och urskilja den våg som kommer just därifrån. Det är som att skapa en parabol i datorn och rikta in den för att studera en viss del av himlen genom de mätningar som redan finns.

Det kan vara ganska trögt att hantera detta. Alla signalerna samlas ihop på en plats i Nederländerna, och det mesta av analysen görs där. Men det börjar bli svårare, berättar Tobia Carozzi, eftersom allt fler vill göra det. Att kopiera data till lokala datorer i Sverige är också svårhanterligt.

– Det kan ta månader att överföra data hit som motsvarar några timmars observation.

Sådana exempel säger något om de problem som det blir nödvändigt att hantera i SKA, där datamängderna kommer att vara mångdubbelt större än i LOFAR.

När Galileo Galilei för 400 år sedan riktade sin kikare mot himlen innebar det en stor omvälvning för astronomin. Med ett förstärkt öga kunde han se sådant som ingen hade kunnat urskilja tidigare: skuggor i månkratrar, Venus faser, Saturnus ringar. Nu förstärker astronomerna våra sinnen med hjälpmedel som Galileo nog inte hade kunnat föreställa sig ens i sin vildaste fantasi: teleskop som utrustas med en egen hjärna av kisel och fiberoptik. I informationsåldern kan hela universum betraktas som ett förråd av data, som kan tolkas och bearbetas av den som lyckas uppbåda tillräcklig beräkningskapacitet.

Ett avlägset svart hål

I det här utsnittet från den första bilden som skapades med MeerKAT syns området kring ett svart hål. Den ljusa pricken avslöjar att det kommer stark radiostrålning från materia som hettas upp, medan den dras in mot det svarta hålet. På sidorna syns ljusa lober med strålning från elektroner som slungats ut från områdena kring det roterande svarta hålets poler.