En skog av parabolantenner i halvørkenen Karoo i Sør-Afrika utgjør deler av kjempeteleskopet Square Kilometre Array. Når det står ferdig i 2024, vil det bli 50 ganger mer følsomt og 10 000 ganger raskere enn dagens radioteleskoper.

Radioøyne mot det første lyset

Mange tusener antenner i Sør-Afrikas halvørken skal lete etter svar på de første og største spørsmål om universet.

2.4 2015 05:01

And the solemn firmament marches
And the hosts of heaven rise

Slik har den engelske dikteren Rudyard Kipling skildret halvørkenen Karoo i Sør-Afrika ved begynnelsen av nittenhundretallet.

Stjernehimmelen er overveldende vakker på den sydlige halvkule. Du ser rett inn mot sentrum av Melkeveien, vår galakse.  Stjernesvermer gløder som morild, frosset inn i himmelhavet.

Metallskog i ørkenen

Ikke underlig at astronomer søker ut hit. Om natten glir dekslene til side på kuppelen over Southern African Large Telescope og andre observatorier. Som metalliske kronblader følger speilene stjernelyset.

Men disse speilene kan bare samle synlig lys. Hvis astronomene skal kartlegge ettergløden fra de første tider, da lyset slapp fri i det unge universet, trenger de radioantenner. Jo flere og større radioantenner, desto skarpere og lengre ut kan disse radioteleskopene se.

Om noen år vil en metallskog av antenner vokse fram i halvørkenen. I tusentall vil de dekke et område på flere kvadratkilometer.

Noen av dem vil være store paraboler, tolv meter i diameter. Andre vil være flate markkrypere som ikke ligner på noe kjent. Teknologien er ny og fortsatt under utprøving.

Tørstlandet

Antennene ligger i et øde område om lag 50 kilometer sørvest for den lille byen Vanwyksvlei, ett av de tørreste stedene i Sør-Afrika, i et område som på afrikaans kalles Dorsland – tørstlandet.


Anysberg naturreservat i halvørkenen Karoo.

Men det er ikke først og fremst den tørre og klare ørkenlufta som fikk den internasjonale forskergruppen i SKA Site Advisory Committee til å velge Karoo og Sør-Afrika framfor rivalen Australia i mai 2012. Det var isolasjonen og ødelandet, fjernt fra byens radiolarm.

Karoo var et helvete for de første trekkerne, boere som på 1700-tallet forsøkte å trenge inn i ørkenen fra sørøst. Dagene var så hete at bakken brente føttene, og nettene var bitterlig kalde, særlig om vinteren.

Først da vindmøller ble tatt i bruk for å pumpe opp grunnvann på slutten av 1800-tallet, klarte boerbønder å bite seg fast med sauer på karrige beiter, sammen med spredte stammer av Khoisan-folket, som jaktet antiloper og annet vilt, og ellers levde av gresshopper og røtter. Likevel – Karoo var fortsatt et øde sted.

Den store radiostillheten

Det er Karoo fortsatt. Det er stille i Karoo. Ikke bare for ørene som lytter mot vinden, men mot de store antennene. De lytter mot ekkoet av det første store smellet, eksplosjonen som formet universet for over tretten milliarder år siden.

Radioskrattingen i millioner mobiltelefoner når ikke ut hit. Hva mørket og den klare lufta er for optiske teleskoper, er radiostillhet for radioteleskoper.

Antenner i flere land

Når Square Kilometre Array (SKA) står ferdig rundt 2024, vil det samlede arealet til antennene være – som navnet tilsier – rundt en kvadratkilometer.

Men SKA stopper ikke i her. Fra Karoo strekker SKA seg videre utenfor Sør-Afrika, 3000 kilometer inn i nabolandene Botswana, Ghana, Kenya, Madagaskar, Mosambik, Namibia og Zambia, med spredte enkeltantenner i et spiralmønster.

Alle antennene vil ha ett til felles. De vil peke oppover, mot Melkeveien og bortenfor.

Animasjoner fra SKA som viser hvordan anlegget i Karoo vil se ut.

Teknisk kvantesprang

SKA er ikke bare enda et radioteleskop blant alle de andre. Det er radioteleskopet som blir 50 ganger mer følsomt enn noe annet tilsvarende instrument. Det er radioteleskopet som kan skanne sørhimmelen 10 000 ganger raskere enn før.

Datamengdene fra parabolantennene alene vil kreve dataoverføring tilsvarende ti ganger dagens trafikk på hele internett. Kaster du inn data fra resten av anlegget, vil båndbredden måtte økes enda ti ganger. Analysen av alle disse rådataene vil kreve en maskin med kraften til 100 millioner PCer.

Ser etter det uventede

SKA handler ikke først og fremst om teknologi. Det handler om mennesker. Kosmologer som lytter i antenneskogen etter svar på de første og største spørsmål: Hvordan så det unge universet ut da de første stjernene ble tent? Hvilken form har det nå? Hva er det laget av? Og enda dypere: Hvorfor er naturlovene som de er? Finnes det grunnleggende naturkrefter vi ennå ikke kjenner?


Phil Bull.

– Naturen lærer oss noe nytt når vi får uventede resultater, sier den britiske kosmologen Phil Bull. Han er en av mange kosmologer fra hele verden som nå arbeider i grupper for å utvikle SKA, slik at radioteleskopet skal gi flest mulig uventede resultater.

– Når en forsker ser noe uventet, er det hundre ganger mer verdt enn å få bekreftet det vi vet fra før. Å se nye sammenhenger i resultater som først virker meningsløse, gir en dyp mening, sier han.

Radiobølger i mange farger

De forskjellige antennene i SKA er laget for å gi bredest og dypest utsyn, best mulig innblikk og flest mulig svar på de store spørsmålene. Til sammen kan de fange radiobølger i mange farger.

Har radiobølger farger? I en forstand – nei. Vi kan ikke se radiobølger. Slik sett har ikke radiobølger farger.

Men lysbølger og radiobølger har også mye til felles. Begge er bølger av elektriske felt som veksler med magnetiske felt. De kalles elektromagnetiske bølger. Forskjellen er at lysbølgene svinger så mye raskere enn radiobølger.

Farge er frekvens

Lys svinger flere hundre tusen milliarder ganger i sekundet. Radiobølger er dvaske i sammenligning. Selv de heftigste swingerne blant dem, radiobølgene fra mobiltelefoner, svinger nærmere en halv million ganger langsommere enn lyset.

Så svinger det saktere og saktere, nedover FM-skalaen og videre ned til den gamle mellombølgeradioen og langbølgene, som bare svinger noen tusen ganger i sekundet.

Fra de langsomste til de raskeste radiosvingningene er det altså et stort spenn. Det betyr at radiospekteret har mange flere farger – frekvenser – enn lyset. Hvis vi bare kunne se dem.

Flere tusen paraboler

Det kan vi faktisk. Ikke med våre egne øyne, men med øynene til antennene på radioteleskopene. Problemet er bare at siden det er så mange forskjellige radiofarger, klarer det seg ikke med bare ett radioøye. Radioastronomene må fordele fargene – frekvensene – i radiospekteret på forskjellige antennetyper, hver tilpasset sitt område.

I Karoo er det én type antenner som møter den besøkende og fanger blikket deres – og signalene fra kosmos. Det er de store parabolantennene, 12 til 15 meter i diameter.


Parabolene vil stå i en fem kilometers kjerneklynge i halvørkenen Karoo.

Hva kan de fange opp? En fargerik bukett av underlige signaler.

– Alt fra planetfødende støvskiver til skyer av magnetisk gass og universets radiofyrtårn – pulsarene, videre ut mot det enorme svarte hullet i sentrum av Melkeveien. Antennene skal også kartlegge de enorme skyene av hydrogen som fyller universet, forteller Phil Bull.

Allerede nå står sju slike antenner i halvørkenen. I framtida skal SKA gi dem selskap av flere tusen til.

De fleste vil stå i en fem kilometers klynge i kjerneområdet i Karoo. Ut fra denne kjerneklyngen er noen spredt videre ut i busklandskapet, og enda videre ut i nabolandene, opptil 3000 kilometer unna.

Spiralmønster

Noen av de spredte antennene vil danne et mønster. Mønsteret som trolig blir valgt, er som en miniatyr av melkeveisystemene langt der oppe – en spiral. Hvorfor spiral?

– Spiralformen sørger for at avstanden mellom antennene varierer i flest mulig kombinasjoner og på en systematisk måte, sier Phil Bull.


Antennene skal etter planen stå i et spiralmønster ut fra kjerneområdet for å gi størst mulig variasjon i avstander og retninger mellom antennene.

Avstanden mellom antennene er viktig. Når radioøyene skal se planeter som fødes, svarte hull eller andre fjerne og forholdsvis små radiokilder, må de kunne se skarpt. En enkelt antenne klarer ikke dette. Ved å kombinere radiosignalene fra flere antenner, tegnes bildet skarpere.

– Jo flere forskjellige avstander og linjer du kan trekke mellom antennene, desto flere størrelsesområder og retninger vil de se skarpt, sier Bull.

– De største avstandene – opp mot 3000 kilometer – vil avsløre de minste detaljene. Men de kan ikke se de grovere formene. Det er som om du tok bilde av et hus og bare så mange enkelte murstein, forklarer Bull.

– Hvis antennene har mindre avstand, vil du ikke se hver murstein, men til gjengjeld formen på hele huset. Dette er ganske sprøtt, og selv astronomer strever med å skjønne hvordan det virker i starten, sier han.

Signalene fra tusenvis av antenner må overføres og behandles digitalt. Nettverket med kapasitet som hundre Internett må svelge unna, og datasentralen tilsvarende 100 millioner PC-er må knuse tallene for at astronomene skal få se de skarpe radiobildene.


Til venstre: Kjerneområdet i Karoo. Til høyre: Spredte antenner som vil vise små detaljer i radiobildet av universet.

Lynrask skanning

Dataanlegget vil etter hvert også få en annen oppgave: Å samle inn radiosignalene fra de flate markkryperne, mange pannekakelignende flater som hver skal dekke flere titalls meter av halvørkenen.

Disse anleggene kalles Dense Aperture Array. De bruker en velkjent teknikk, men utvikler den til et nytt nivå av hastighet og presisjon.

Hver pannekake inneholder millioner av små antenner. Med hjelp av stor datakraft kan alle de millioner signalene kombineres slik at de sikter inn mot en bestemt del av himmelen.

– Prosessen skjer elektronisk og lynraskt. Dermed kan vi kartlegge hvordan store områder av himmelen forandrer seg over tid. Vi kan også oppdage kortvarige radioblaff, for eksempel fra supernovaer eller andre spennende fenomener som ellers kunne blitt oversett, sier Bull.

Rivalen Australia

Da Sør-Afrika og Karoo ble valgt, var det ikke bare en faglig tautrekking om det beste stedet. Det var også en politisk tautrekking. Derfor skal deler av SKA bygges i landet som rivaliserte om anlegget – Australia.

–Sør-Afrika er best egnet, men Australia ville tatt det ille opp om de ikke fikk være vertskap for noen del av anlegget, forklarer Bull.

Nå er ikke Australia dårlig egnet heller. Området Murchinson i midtvesten av Australia er tynt befolket halvørken, ikke ulik Karoo. Her er det flere sauer og geiter enn folk. Murchinson er også erklært som radiostøyfri sone av de australske myndighetene.

– Derfor er det urettferdig å si at Australia først og fremst fikk anlegget av politiske grunner, presiserer Bull.

I Murchinson ligger allerede et radioobservatorium, med store parabolantenner, og en liten underskog av noen hundre mindre antenner. Om få år vil de få selskap av flere. Mange flere. Rundt en kvart million, faktisk.


Disse antennene ligner fjernsynsantenner, men hundretusener av dem vil peke opp mot verdensrommet for å fange opp radiobølger fra de første stjernene og galaksene i universets barndom. Antennene vil stå i en halvørken i den sørvestlige delen av Australia.

Den første stjernene

De ligner pinnsvinantennene for fjernsyn som prydet hustakene i gamle dager. Ikke uten grunn.

Frekvensene de fanger opp, er de samme som for fjernsyn. Men pinnsvinantennene i Murchinson vil peke rett til himmels.

De vil lynraskt kunne sikte seg inn mot nye områder, på samme måte som Dense Aperture Array, pannekakene med millioner av antenner i Karoo.

Men frekvensene er lavere. Det gir også andre muligheter. Antennene vil blant annet kunne se radiogløden fra aller første hete stjernene og melkeveisystemene som lyste opp i universets barndom.

Nytt vitenskapelig verdenskart

Noen av antennene på denne siden av kloden vil også ligge i New Zealand. Uansett plassering er samarbeidet om SKA internasjonalt. Kina er med. India også, som assosiert medlem. Vitenskapens verdensbilde er i endring.

– Tidligere ble naturvitenskapen ledet av den gamle garden, USA og land i Europa. Samarbeidet om Large Hadron Collider i Cern var opprinnelig slik, sier Bull.

– De neste 50 årene vil de nye vitenskapelige kraftsentrene i Sør-Afrika og andre deler av verden få større innflytelse. SKA er et eksempel på det, fortsetter han.

– Når naturvitenskapen sprer seg til nye kulturer, vil vi oppleve at nye tankesett kan gi nye og spennende teorier om hvordan universet henger sammen.

– Vi håper alle på å oppdage noe helt nytt og uventet. Likevel er vi overgitt til hva universet vil vise oss. Kanskje vil vi ikke finne noe nytt i min livstid.  Men jeg håper. Jeg tror vi skal få se noe, men jeg vet ikke hva, sier Bull.


De første stjernene lyste opp rundt 400 millioner år etter at universet oppstod i det store smellet.

Lenker:

Square Kilometre Array

forskning.no ønsker en åpen og saklig debatt. Vi forbeholder oss retten til å fjerne innlegg. Du må bruke ditt fulle navn. Vis regler

Regler for leserkommentarer på forskning.no:

  1. Diskuter sak, ikke person. Det er ikke tillatt å trakassere navngitte personer eller andre debattanter.
  2. Rasistiske og andre diskriminerende innlegg vil bli fjernet.
  3. Vi anbefaler at du skriver kort.
  4. forskning.no har redaktøraransvar for alt som publiseres, men den enkelte kommentator er også personlig ansvarlig for innholdet i innlegget.
  5. Publisering av opphavsrettsbeskyttet materiale er ikke tillatt. Du kan sitere korte utdrag av andre tekster eller artikler, men husk kildehenvisning.
  6. Alle innlegg blir kontrollert etter at de er lagt inn.
  7. Du kan selv melde inn innlegg som du mener er upassende.
  8. Du må bruke fullt navn. Anonyme innlegg vil bli slettet.

Annonse

Radioblikk mot de første tider

Det nye radioteleskopet Square Kilometre Array vil bestå av hundretusener av antenner på to kontinenter. Hva kan det fortelle oss om det første og det største i universet?

Del 1: Radioøyne mot det første lyset

Her får du oversikten over hvor radioteleskopene skal bygges, hvordan de blir og hva de skal brukes til.

Del 2: Stoffet som forener universet

Hydrogen finnes i vannet vi drikker og i universets fjerneste egner. Astronomene sporer universets historie i radiobølger fra kosmisk hydrogen.

Del 3: Radioblink over hav av tyngdekraft

Her får du høre hvordan universets fyrtårn – pulsarene – kan brukes til å lete etter de mystiske tyngdekraftbølgene som Albert Einstein forutså.

Del 4: Skeivt univers

I middelalderen trodde de fleste at jorda og menneskene befant seg i universets sentrum. Siden har astronomer funnet ut at alle deler av universet er like. Eller – er de det?