Radiosignalen som kan färdas genom rymden i miljarder år

Det första steget är därför att samla in så mycket av den önskade vågen som möjligt. En stor parabol fungerar som en elektromagnetisk tratt: den reflekterar inkommande vågor mot en mottagarenhet. Dess effektiva uppsamlingsyta avgör hur mycket av signalens effekt som kan tas till vara.

Sedan gäller det att tillföra så lite extra brus som möjligt. Känsliga mottagare använder ofta kylda förstärkare. Kylningen minskar vissa termiska brusbidrag, men den tar inte bort bruset från himlen och gör inte elektroniken perfekt.

Nästa verktyg är urval. Vet man ungefär var på himlen sonden befinner sig, vilken frekvens den sänder på och hur signalen är uppbyggd kan sökningen begränsas kraftigt. En smal mottagarbandbredd släpper igenom mindre brus än en bred, förutsatt att den fortfarande rymmer den signal man behöver mäta.

Frekvensen är dock inte nödvändigtvis exakt den som sändaren hade vid utsändningen. Farkostens och jordens rörelser ger dopplerförskjutning. Jordens rotation bidrar också. Mottagaren måste följa dessa förändringar för att inte tappa den svaga bärvågen.

Tid är ytterligare ett verktyg. En stabil signal kan jämföras med en förväntad vågform och mätas under längre tid. Det gör att ett konsekvent mönster kan växa fram ur slumpmässiga variationer. Men metoden har villkor: om frekvensen glider eller signalen ändras måste analysen kunna följa det.

Man kan inte heller medelvärdesbilda hur länge som helst och samtidigt behålla godtyckligt snabba förändringar i informationen. En signal som byter innehåll tusentals gånger per sekund kräver en mottagning som bevarar dessa förändringar.

Här blir skillnaden mellan att upptäcka en sändare och att läsa dess meddelande avgörande. En smal bärvåg kan vara synlig i en analys trots att de informationsbärande variationerna är för svaga för att avkodas säkert.

Claude Shannons informationsteori sätter en grundläggande ram för detta. För en idealiserad kanal med additivt vitt gaussiskt brus bestäms den högsta tillförlitliga informationshastigheten av bandbredden och förhållandet mellan signal och brus. Smarta algoritmer kan hjälpa oss närmare gränsen. De kan inte göra den betydelselös.

Det finns alltså inget universellt knep som återställer ett godtyckligt meddelande ur vilket brus som helst. Långväga kommunikation fungerar genom att hela kedjan utformas för den information som faktiskt behöver överföras.

Voyager är en demonstration av ingenjörskonst. Men när astronomer talar om radiosignaler över kosmiska avstånd handlar det oftast om naturlig strålning, inte om meddelanden från sändare byggda av någon civilisation.

Ordet signal kan här betyda ett mätbart fenomen: en puls, en spektrallinje eller en variation i radiostyrka. Det innebär inte att någon har kodat in en avsiktlig hälsning.

Ett särskilt dramatiskt exempel är snabba radioblixtar, ofta kallade FRB efter engelskans fast radio bursts. De upptäcks som mycket korta radiopulser. Många tycks komma från avlägsna galaxer, och vissa källor har observerats blixtra upp upprepade gånger.

Den första publicerade upptäckten kom 2007, efter en analys av äldre observationer från Parkesteleskopet i Australien. Den visade hur ett kort och oväntat fenomen kan ligga dolt i redan insamlade data och öppna ett nytt forskningsfält.

Ett senare exempel är FRB 20220610A, upptäckt med det australiska radioteleskopsystemet ASKAP. Uppföljande observationer knöt blixten till ett avlägset galaxsystem med rödförskjutning omkring 1. Resultatet publicerades 2023. Med den kosmologiska modell som används för sådana beräkningar motsvarar det ungefär åtta miljarder års tillbakablickstid.

Det innebär inte att källans nuvarande avstånd enkelt är åtta miljarder ljusår. Universum har expanderat medan strålningen färdats. På kosmologiska skalor måste man därför ange vilken sorts avstånd man menar. Restid och avstånd i dagens universum är inte utbytbara mått.

Hur kan en puls ändå vara mätbar efter en så lång resa? Framför allt för att ursprungshändelsen är mycket energirik och för att en stor mängd radiostrålning kommer under mycket kort tid. Astronomerna behöver dessutom inte avkoda någon snabb dataström. De söker en karakteristisk puls i inspelade mätvärden.

Om man antar att FRB 20220610A strålade lika åt alla håll blir den uppskattade utsända radioenergin i den studerade emissionen av storleksordningen 10 upphöjt till 33 joule. Det är en modellberoende uppskattning: riktad strålning skulle förändra den verkliga totala energin. Den säger inte heller hur mycket energi som frigjordes i andra former.

Exakt hur alla snabba radioblixtar uppstår är fortfarande en öppen fråga. Observationer har visat att åtminstone vissa kan kopplas till magnetarer, neutronstjärnor med extremt starka magnetfält. Det är ett viktigt genombrott, men ingen garanti för att varje observerad blixt har samma ursprung eller detaljerade mekanism.

Det vi säkert kan säga är att radiosändningen inte har behövt underhållas längs vägen. En kort händelse långt borta skapade strålning. Miljarder år senare passerade en liten del av den våra antenner.

Mellan galaxerna är materien mycket tunn, men inte helt frånvarande. En betydande del är joniserad: elektroner har skilts från atomkärnor och bildar tillsammans med joner ett plasma. Radiovågor påverkas av denna glesa materia på ett sätt som astronomerna kan mäta.

I ett utspätt plasma fördröjs lägre radiofrekvenser mer än högre. En kort puls som omfattar ett brett frekvensområde anländer därför inte samtidigt över hela området. Först kommer de högre frekvenserna, sedan de lägre, enligt ett karakteristiskt mönster.

Detta kallas dispersion. Fördröjningens frekvensberoende gör det möjligt att uppskatta den sammanlagda mängden fria elektroner längs siktlinjen. Måttet kallas dispersionsmått. Det anger inte ensamt ett exakt avstånd, eftersom elektroner kan finnas både i Vintergatan, mellan galaxerna och nära själva källan.

När astronomer söker radioblixtar måste de därför pröva olika mängder dispersion. De förskjuter mätserierna från olika frekvenser i tiden och undersöker om en skarp puls framträder. Utan denna korrigering kan en stark men kort blixt se utsmetad och svag ut.

Samma effekt som gör upptäckten svårare blir alltså en mätmetod. Om källans galax och rödförskjutning också är kända kan pulsen användas för att undersöka materia längs vägen. Radioblixten fungerar då inte bara som budbärare från sin födelseplats utan också som ett prov på det den har passerat.

Oregelbundenheter i plasmat kan dessutom sprida vågorna längs lite olika vägar. En kort puls får då en utdragen svans. Magnetfält kan förändra riktningen hos strålningens linjära polarisation, en effekt som kallas Faradayrotation. Även detta kan ge information om den mellanliggande miljön.

Radio har samtidigt begränsningar. Vid mycket låga frekvenser kan plasma hindra vågor från att fortplanta sig. Jordens jonosfär blockerar eller kraftigt påverkar därför delar av det lågfrekventa radioområdet. Vid andra frekvenser kan atmosfärens molekyler absorbera strålning.

Det finns med andra ord ingen frekvens som alltid går obehindrat genom allting. En radiosignal kan passera nästan tom intergalaktisk rymd och ändå stoppas av ett tätare område eller bli svår att observera från jordytan. Att radio ofta kan tränga igenom stoft som skymmer synligt ljus gör den värdefull, men inte osårbar.

Nu återstår den största frågan. Om radiovågor saknar en enkel slutsträcka, kan man då sända något som till slut når överallt?

Inte nödvändigtvis. Universums storskaliga geometri och expansion sätter gränser som ingen större antenn kan upphäva. Strålning rör sig lokalt med ljusets hastighet, samtidigt som avstånden mellan mycket avlägsna, obundna områden förändras när rymden expanderar.

I den kosmologiska standardmodell där den sena expansionen fortsätter att accelerera finns en kosmisk händelsehorisont. En signal som sänds i dag kan inte nå alla regioner, ens om man väntar godtyckligt länge. Detta är en slutsats om universums utveckling enligt modellen, inte om att sändaren är för svag.

Det observerbara universum är dessutom något annat än hela universum. Det omfattar den del vars ljus och annan information har kunnat nå oss under den kosmiska historien. Vi vet inte om universum som helhet är ändligt eller oändligt. Uttrycket ”genom hela rymden” lovar därför mer än observationerna ger stöd för.

Expansionen sträcker också strålningens våglängd. Frekvensen sjunker, och varje fotons energi blir lägre enligt sambandet mellan energi och frekvens. En utsänd puls blir tidsmässigt utdragen för en avlägsen mottagare. På dessa skalor räcker det alltså inte att beskriva resan som enbart geometrisk utspädning i ett oföränderligt rum.

Men den mer begränsade verkligheten är fortfarande svindlande. Radiostrålning kan färdas i miljarder år och bära med sig mätbara spår av en händelse, dess miljö och materien mellan galaxerna. En mänskligt byggd sändare på några tiotal watt kan samtidigt hållas hörbar över tiotals miljarder kilometer genom riktantenner, känsliga mottagare och långsam, noggrant kodad kommunikation.

Det är två olika slags bedrifter. I den ena skapar naturen en enorm men kort radiosändning. I den andra gör ingenjörerna varje mottagen bråkdel av en watt användbar.

När markantennen följer den avlägsna sonden är det därför inte radiovågens uthållighet som står på prov. Vågen behöver varken motor eller bränsletank. Det som prövas är vår förmåga att samla in tillräckligt mycket av den, förstå hur den har förändrats och skilja dess mönster från bruset.

Rymden kan låta signalen fortsätta långt efter att vi har förlorat förmågan att höra den.