Svensk upptäckt revolutionerar radioastronomin

En internationell grupp ledd av svenska forskare har visat hur metoder utvecklade inom laseroptik och kvantkommunikation kan utnyttjas inom radioastronomi och rymdfysik. Resultaten öppnar ett helt nytt radiolandskap för bland annat trådlös kommunikation. Resultaten publicerades i en artikel i den högt ansedda tidskriften Physical Review Letters den 24 augusti.

Grunden till resultaten kommer från ett examensarbete av Johan Sjöholm och Kristoffer Palmer vid civilingenjörsutbildningen vid Uppsala universitet. Examensarbetet genomfördes vid det av Bo Thidé ledda forskningsprogrammet "Rymdens Fysik" vid Institutet för rymdfysik, IRF, i Uppsala.

– Det torde vara enastående i svensk fysikhistoria att studenter redan under sin grundutbildning tar fram forskningsresultat av sådan kaliber att de hamnar på omslaget till världens förnämsta fysiktidskrift, säger Bo Thidé, professor på IRF och drivande bakom forskningen.

Småländsk spjutspets

De svenska forskarna har tagit nya metoder som utvecklats inom laseroptik och kvantkommunikation och visat att de kan överföras direkt till radioområdet. Förutom rymdfysikerna på IRF har även matematiker på Blekinge tekniska högskola i Karlskrona bidragit till forskningen.

De radiometoder som beskrivs i artikeln har utvecklats inom sensorprojektet LOIS i Växjö.

– Att vi publicerar det här nu betyder inte att vi kommit på tekniken nyligen. Vi har använt det här i LOIS-projektet i flera år, berättar Bo Thidé.

LOIS i sin tur samverkar med det enorma radioteleskopet LOFAR (Low Frequency Array) i Nederländerna, Tyskland och Frankrike. För närvarande pågår diskussioner om att komplettera den befintliga teststationen för LOIS i Växjötrakten med en nyare teststation i Blekinge. Kalmar och Lund står sedan på tur, liksom Poznan i Polen.

På Ångströmlaboratoriet i Uppsala har universitetet nyligen färdigställt en radioisolerad antennkammare. Där ska forskarna under välkontrollerade laboratoriebetingelser testa de nya radiometoderna och bedöma dem tekniskt – mäta feltoleranser och felkällor, göra kalibreringar och mäta vad det faktiskt går att uppnå.

Välkänd fysik, avancerad teknik

Med ett antal små antenner, var och en försedd med en digital radioenhet, visar forskarna för första gången att man kan dra nytta av välkända men hittills outnyttjade symmetriegenskaper hos de elektromagnetiska fält som bygger upp radiostrålning. Det gör att man får ut betydligt mer information ur strålningen än vad som är möjligt med traditionella radiometoder.

– Vad vi gjort är egentligen ganska självklart när man tänker på vilka fysikaliska egenskaper som radiostrålning har. Den utgörs av elektriska och magnetiska fält som varierar både i styrka och i riktning. Genom att inte kasta bort informationen om den momentana riktningen hos fälten öppnar vi för helt nya sätt att utnyttja radiomediet, säger professor Bo Thidé. Men det är i och för sig ingen trivial fysik. Det är ingenting man lär sig på grundutbildningen.

Strålning består inte bara av en frekvens (hur snabbt vågorna svänger) och en amplitud (hur intensiva vågorna är). Det finns mycket annan information som går att få ur en radiopuls. Vågorna kan rotera på ett flertal sätt runt olika axlar under sin färd framåt. Det är genom att ta reda på informationen i dessa olika rotationsrörelser som Bo Thidé och hans kollegor lyckas krama ur mer information ur radiovågorna. De kan mäta på alla de komponenter som ingår i strålarna, och inte som tidigare bara på summerade medelvärden.

– Vi tar faktiskt reda på all information som finns. Tidigare har man bara fått ut en mindre del, säger Bo Thidé.

En intressant egenskap hos de nya metoder som de svenska forskarna tagit fram är att samma frekvens kan användas om och om igen utan att de olika radiosignalerna stör varandra.

– Man kan tänka sig att det i framtiden kommer att finnas en knapp till på radion för att byta radiostation. Men istället för att ändra frekvens – hur radiovågarna varierar i tiden – ändrar man hur de roterar i rummet, säger Bo Thidé.

Det har också varit tekniskt svårt att sy ihop hela paketet. Datakraft och annat har helt enkelt inte räckt till, vilket Bo Thidé menar är en av anledningarna till att det dröjt tills nu innan någon nått så långt att de kunnat publicera resultat.

Internationell jättehit

Forskningen har väckt stor internationell uppmärksamhet. Bland annat fick de svenska forskarna en gratulations-e-post från professor Martin Harwit, astronom vid Cornelluniversitetet i USA där han sa att "detta är troligtvis en artikel som kommer att starta en ny trend inom radioastronomin". Och tillämpningarna är många för den nya tekniken.

– Dr. Jill Tarter vid SETI (Search for Extraterrestrial Intelligence) Institute är mycket intresserad av våra resultat. Hon menar att om det finns intelligent liv i universum så lär de använda fiffigare metoder än de vi hittills använt. När hon fick höra om vår teknik så sa hon ungefär "herregud det här har vi funderat på i många år, men ni har ju löst det!".

Man ska också om några veckor diskutera om att anpassa världens största radioteleskop i Arecibo, Puerto Rico till de nya radiometoderna. Om så blir fallet kommer med största säkerhet Bo Thidé och hans kollegor att få delta i det arbetet.

– Det är ju bara vi som kan det här, säger Bo Thidé, inte utan en god portion stolthet i rösten.

Amerikanska National Science Foundation har även nyligen beviljat ett miljonanslag för ett atmosfärforskningsprojekt där LOIS skall bidra med instrument, teknik och kunnande.

– Vid Westerborkteleskopet i Nederländerna, som består av 14 parabolantenner i 25-metersklassen, pågår sedan någon månad försök att använda våra metoder för att få fram ny information om radiokällor i universum. En rysk jordbävningsvarnande satellit (Compass-2) med vår radioutrustning ombord är redan i omlopp kring jorden och ytterligare en satellit är på väg. Den internationella rymdstationen ISS kommer under nästa år att förses med vår radioutrustning. Och så framgången med artikeln!

Projektet har hela tiden haft det mycket knapert ekonomiskt. Bo Thidé har haft svårt att få gehör för den banbrytande metoder gruppen arbetat med.

– Vi har dock hela tiden känt att vi ligger främst i världen och blivit sporrade av det stora intresset från utlandet.

Nu, i och med artikeln och responsen på den så börjar det dock släppa. Inte undra på att Bo Thidé är nöjd.