Oto eksperyment myślowy dla Ciebie: wyobraź sobie świecący mocny laser skierowany na księżyc, wiązka przecinająca przestrzeń, aż w końcu landuje na jego zakurzonej, szarej powierzchni. Teraz przesuń szybko laser, tak aby miejsce światła przeszedł z jednej strony księżyca na drugą. Z pozoru zdaje się, że przemknęło to w mig – pokonując tysiące kilometrów w ułamku sekundy, nawet szybciej niż światło w próżni. Jak to możliwe?
Nie ma wskaźnika laserowego wystarczająco silnego, aby wykonać ten sztuczka. I nawet gdyby był, nie ma powodu do paniki: nic nie łamałoby żelaznej zasady fizyki, która wyklucza cokolwiek poruszającego się szybciej niż światło. To tylko iluzja optyczna. Niemniej jednak, istnieją rzeczywiste zjawiska tam, na kosmosie, które tworzą podobne iluzje. „Nic o masie nie może przyspieszać od poniżej prędkości światła do powyżej” – mówi astrofizyk Robert Nemiroff z Uniwersytetu Technologicznego w Michigan. „Ale cienie, punkty lasera i świetliste fronty mogą i rzeczywiście przemieszczają się szybciej niż światło wokół nas cały czas”.
Astronomowie od dawna obserwują te superluminalne iluzje, kiedyś odrzucane jako ciekawostki. Teraz zdajemy sobie sprawę, że niektóre z nich mogą ujawniać ukryte, zaskakujące szczegóły o wszechświecie, których nie jesteśmy w stanie odkryć poprzez inne obserwacje. Sam Nemiroff sugeruje nawet nowy rodzaj iluzji – powracające echosy światła, które udają się wstecz w czasie, mogą odsłaniać wewnętrzne mechanizmy niektórych z najbardziej tajemniczych zjawisk w naszym kosmosie. Wraz z otwarciem Obserwatorium Verba C. Rubina możemy być na progu częstszego dostrzegania tych ulotnych iluzji.
Echa światła
Od dekad astronomowie obserwowali liczne przykłady superluminalnego ruchu. Pierwszy z nich pojawił się w 1901 roku, kiedy Thomas Anderson, amatorski astronom i duchowny z Edynburga, Wielka Brytania, zauważył nowe świetliste punkty w konstelacji Perseus, które przesłaniały większość innych gwiazd. Astronomowie spieszyli się, aby to zaobserwować, w tym ci z Obserwatorium Greenwich w Londynie, zaskoczeni tym, co zobaczyli – eksplozję, której świecące zewnętrzne warstwy rozszerzały się aż do pięciokrotnie większej prędkości niż prędkość światła.
Zdarzenie, później nazwane Nova Persei 1901, było spowodowane eksplozją termojądrową, zwaną nową na powierzchni martwej gwiazdy, białego karła. Na początku jej pozorna superluminalna zachowawczość zadziwiała astronomów, ale w 1939 roku francuski astronom Paul Couderc wyjaśnił, że była to echo światła.
Kiedy światło eksplozji promieniowało na zewnątrz, uderzało w chmury kurzu pod różnymi kątami. Niektóre regiony rozświetlały się szybciej niż inne, nie dlatego, że światło przemieszczało się szybciej, ale z powodu ich orientacji względem Ziemi i nowej gwiazdy. Wynikiem był efekt iluzji: jasne łuki światła, które zdawały się wyprzedzać samo światło, które je spowodowało.
To nie jest jedyna iluzja, którą odkryto. Z pozornego superluminalnego ruchu korzysta się do badania potężnych kosmicznych strumieni, strug cząsteczek naładowanych wystrzelonych z czynnych czarnych dziur, łączenia się gwiazd neutronowych i innych egzotycznych systemów. Te strumienie często podróżują blisko prędkości światła, i kiedy oświetlają otaczający pył, mogą wywołać efekty szybsze niż światło, które zależą od tego, jak je postrzegamy, gdy są skierowane na nas.
To coś, co dziecko, bawiące się wytwarzaniem zwierząt za pomocą dłoni przed latarką, mogłoby zrozumieć. Przybliż rękę nieco bliżej do światła, a cienie przeskoczą po ścianie. Ten sam zasada obowiązuje w kosmosie, gdzie odległe źródła światła i chmury kurzu służą jako lampa i ekran.
W zeszłym roku superluminalny strumień galaktyki o nazwie Centaurus A został użyty do ujawnienia jej ukrytej struktury. Astrofizyk David Bogensberger z Uniwersytetu Michigan śledził jasny węzeł w strumieniu, który zachowywał się dziwnie. W falach radiowych wydawało się poruszać z 80 procent prędkości światła, ale w promieniach rentgenowskich ta sama cecha wydawała się biec naprzód, z prędkością 2,7-krotnie większą niż prędkość światła.
„To mówi nam, że dane radiowe i rentgenowskie pokazują coś zupełnie innego, co jest dość nowym odkryciem” – mówi Bogensberger. „Zaczyna się pojawiać konsensus, że naprawdę widać dwie różne populacje plazmy w strumieniach, które się różnią i mają różne właściwości”.
Ta różnica, mówi, może pomóc w doprecyzowaniu naszego zrozumienia tego, w jaki sposób powstają strumienie, z czego są zbudowane i jak ewoluują, gdy przecinają kosmos.
Można także użyć superluminalnego ruchu do określenia pod jakim kątem te wąskie strumienie uderzają w Ziemię, mówi astrofizyk Matt Nicholl z Uniwersytetu Królowej w Belfaście, Wielka Brytania, co nie jest możliwe innymi metodami. „Jeśli zmierzysz energetykę strumienia, który idzie prosto na ciebie w porównaniu z tym, który idzie pod kątem, możesz otrzymać zupełnie inne odpowiedzi” – mówi Nicholl.
To może dać astronomom kluczowe informacje na temat tego, ile energii jest w strumieniu. „To mówi ci, jak stabilne są gwiazdy neutronowe i jaki jest nacisk w ich centrum” – mówi Nicholl. „To podstawowa fizyka jądrowa, której nie możemy zmierzyć na Ziemi”.
Jednak, jak można się spodziewać, złapanie tych szybko poruszających się sygnałów jest trudne. Według Bogensbergera, astronomowie obserwują obiekty, które zdają się przemieszczać z prędkością około 10 razy większą niż prędkość światła, ale w rzadkich przypadkach mogą zdawać się osiągnąć 50-krotną prędkość światła. Większość teleskopów rzadko odwiedza tę samą część nieba, co sprawia, że łatwo jest przeoczyć ulotne efekty. Ale wraz z wzrostem astronomicznej częstotliwości próbki, skanującej niebo powtarzalnie i w czasie rzeczywistym, ta sytuacja zaczyna się zmieniać.
Podwajanie obrazu
Naukowcy tacy jak Nemiroff i Jon Hakkila z Uniwersytetu w Alabamie w Huntsville, mają nadzieję, że nowe dane wzmocnią teorię, którą zaproponowali w 2019 r., aby wyjaśnić jedno z najbardziej zagadkowych zjawisk w astrofizyce: wybuchy promieniowania gamma. Są to nagłe, błyskotliwe błyski światła o wysokiej energii, uważane za pochodzące z gwałtownych zgonów gwiazd lub łączenia się gwiazd neutronowych. Jednak szczegóły tego, jak powstają i dlaczego zachowują się tak, jak się zachowują, pozostają uparcie niejasne.
Jedna z trwałych zagadek tkwi w ich krzywych światła: wykresach, które śledzą jasność wybuchu w czasie. Zamiast płynnego wzrostu i spadku, jak to ma miejsce w przypadku wybuchu i ponownego zaniku, krzywe światła GRB często pokazują strukturę przypominającą fale z co najmniej trzema wyraźnymi szczytami występującymi podczas wzrostu, szczytu i upadku głównego impulsu. Niektóre impulsy zawierają dziesiątki takich szczytów. Co gorsza, pierwszy i ostatni szczyt często wydają się odzwierciedlać nawzajem, jakby wybuch rozprzestrzeniał się, a następnie odwracał.
„Krzywe światła GRB nie miały sensu” – mówi Hakkila.
Fizycy oferowali wyjaśnienia, które sięgały od lustrzanych GRB odbijających się od kosmicznych barier po złożone interakcje z skupiskami plazmy, promieniowania i pól magnetycznych. Ale teorie te często wydawały się wymuszone, a żadna nie tłumaczyła, dlaczego takie dziwne struktury echowe były tak powszechne.
Hakkila znalazł inspirację w wcześniejszej pracy Nemiroffa. Pokazała ona, że w określonych warunkach fala lub cząstka, która zdawała się poruszać szybciej niż światło w ośrodku – choć wciąż wolniej niż światło w próżni – mogła wywołać efekt nazwany „podwójnym obrazem względności”. Dla obserwatora wydawało się, że to dwa egzemplarze tego samego zdarzenia: jeden rozwijający się normalnie, drugi wstecz.
Hakkila przejął ten koncept i pobiegł z nim. W swoim nowym modelu, fala lub „impaktor” wewnątrz strumienia GRB przyspiesza od prędkości subluminalnej do prędkości superluminalnej. Podczas tej tranzycji fala przechodzi przez plazmę i wywołuje wybuch promieniowania. Ponieważ przez chwilę porusza się szybciej niż światło może podróżować w tej plazmie, światło, które wypromienia, dociera do obserwatora w dziwnym porządku: najpierw jako normalny sygnał, a następnie ponownie, odtwarzany odwrotnie. W rezultacie, dzięki podwójnemu obrazowi względności, krzywa światła wydaje się echem samego siebie: płonąca, zanikająca, a następnie ponownie płonąca.
„To jakby ktoś wszedł do pokoju, zapalił wszystkie światła, a potem, kiedy wyszedł z pokoju, pamiętał, aby je wszystkie wyłączyć dokładnie w odwrotnej kolejności,” mówi Hakkila. Odkrył, że ten efekt mógłby wyjaśnić przynajmniej 85 procent GRB w artykule opublikowanym w 2021 roku. W 2023 roku badacze Dong-Jie Liu i Yuan-Chuan Zou z Uniwersytetu Nauki i Technologii Huazhong w Wuhanie, w Chinach, powtórzyli tę samą analizę z nowymi danymi. Ich odkrycia nie tylko poparły ten pomysł, ale ich artykuł ujawnił, że te zsynchronizowane sygnały mogą powiedzieć nam, jak szybko fale uderzeniowe przechodzą przez plazmę lub czy oddziałują z gęstymi skupiskami wzdłuż drogi. Zamiast stanowić tylko szum obserwacyjny, Liu i Zou argumentują, że te fale mogą być subtelne sygnatury tego, jak powstają i jak eksplodują GRB.
Nemiroff, z kolei, uważa, że pomysł może sięgnąć jeszcze dalej. Poza GRB podejrzewa, że zjawiska podwójnych obrazów względności mogą występować także w całym wszechświecie.
„Jeśli zaczniesz widzieć takie rzeczy regularniej, naukowcy chcą być gotowi, aby wyciągnąć z nich jak najwięcej wartości badawczej. Dlatego niektórzy zaczynają eksperymentować z tymi efektami w laboratorium. Teoretyczny fizyk Simon Horsley z Uniwersytetu w Exeterze, Wielka Brytania, i jego koledzy przetestowali materiały takie jak tlenek indu i cyna, które mają właściwości poddawalne regulacji, przesuwając laser po nich w konfiguracji, która ma imitować eksperyment z laserem na księżycu. W teorii żadna informacja nie powinna podróżować szybciej niż światło na powierzchni materiału. Ale czy tak jest naprawdę?
Wyniki Horsleya i jego zespołu pokazały, że wskaźnik załamania światła – miara jak bardzo materiał łamie światło – wydaje się przesuwać wraz z ruchem lasera, z prędkościami, które wydają się przekraczać prędkość światła. „Masz skrawek, który przesuwa się po materiale” – mówi. Wynikiem jest odbicie, które wydaje się pochodzić od czegoś poruszającego się szybciej niż światło – nie od rzeczywistego obiektu, ale efektu optycznego.
To ma znaczenie, ponieważ przesunięcia Dopplera są jednym z głównych narzędzi astronomii do wnioskowania o ruchu – służy do mierzenia, jak szybko oddalają się galaktyki, jak są ustawione strumienie lub jak gwiazdy krążą wokół siebie nawzajem. Jeśli superluminalne iluzje mogą zniekształcać te przesunięcia w przewidywalny sposób, eksperymenty laboratoryjne, takie jak te Horsleya, mogą nam pomóc interpretować to, co widzimy na niebie dokładniej – efektywnie kalibrując nasze oczekiwania na podstawie znanych efektów optycznych.
Materiał, z którym pracuje Horsley, może także posłużyć do przetestowania innych superluminalnych efektów, które jeszcze nie zostały odkryte. „Staramy się myśleć, czy znajdziemy jakąś egzotyczną fizykę, którą możemy zbadać z tym”
