Dimenzió #01

Itt és most (Értekezés a térről és időről)

(fizika)

Legnépszerűbb számunk

[#24] Kapcsolat - kezdő és gyakorló szeretőknek -


Legnépszerűbb cikkünk

[#24] Szerelmes versek

                      Szuperfénysebességű objektumok
                      ==============================

   Képzeljünk  el egy  minden irányban egyenletesen sugárzó rádióforrást. Ha
ez  hozzánk  mint  megfigyelőhöz  képest  nyugalomban  van, akkor megfigyelt
sugárzásának  térbeli   intenzitáseloszlása   egy   gömbbel  szemléltethető, 
középpontjában a  forrással.  Ha  azonban  a forrás  nagy sebességgel mozog,
a  relativitáselmélet  értelmében  sugárzása  a  mozgás  irányában  erősebb, 
ellenkező irányban gyengébb lesz a nyugalmi állapothoz  képest.  Úgy látjuk,
hogy  sugárzása   nyalábolódik  (fókuszálódik)   a   mozgás   irányába,   az
intenzitáseloszlás pedig a gömbből elnyúlt ellipszoiddá torzul.
   Ha  tehát  egy  galaxismagból   kilövelt  sugárforrás   nagy  sebességgel
közeledik  felénk,  fényességét  sokkal  erősebbnek látjuk, míg a távolodóét
sokkal  gyengébbnek. Ezért előfordulhat, hogy a két irányban asszimetrikusan
kilövelt  jelek  közül  csak  az  erősebbet észleljük,  azt,  amelyik felénk 
irányul.  Ez  a  gyakran  "Doppler-bootsting"-nak   nevezett  erősítő  hatás
meglepően  tetemes  is  lehet.  A fénysebesség 98  százalékával felénk mozgó
forrást  pl. eredeti  fényességénél  ezerszer  fényesebbnek látjuk. Ez lehet 
tehát az egyik magyarázata az egyoldalú kilövelléseknek.
   Van-e valamilyen  más  jele  annak,  hogy  az  egyoldalú  kilövellések  a
megfigyelő  irányában történnek? Igen, és ezt a feltételezést egy a hetvenes
évek elején született szenzációs felfedezés támasztja alá leghatásosabban.

   Aki  a  relativitáselméletről   valamit   is  hallott,  annak  a   címmel
kapcsolatban  azonnal   ellenérzése   támad.   Hogyan   is   létezhetnek   a
fénysebességnél  nagyobb sebességű mozgások, amikor ez alapvetően ellentmond
a relativitáselméletnek,  amit  egyébként  számos  kísérlettel  igazoltak. A
csillagászatban  már  eddig  is  sok  meglepő  jelenséget  tapasztalhattunk, 
amelyek   merőben   eltérnek  környezetünk  megszokott  viszonyaitól.  Kevés 
megfigyelés  váltott ki azonban olyan meglepetést és sokoldalú vitát, mint a
fénynél nagyobb terjedésű mozgások megfigyelése a kvazárok belsejében. Ehhez
hozzá  szokták  tenni,  hogy "látszólagos  szuperfénysebességről"  van  szó, 
vagyis - noha mi a Földről így észleljük - ez nem  jelent a  fénynél nagyobb
sebességet az illető objektum vonatkoztatási rendszerében.
   A hetvenes  évek  elején,  amikor  az  első   megfigyelési   eredményeket
közzétették,  általában  kétkedéssel  fogadták a következtetéseket, és sokan
abban bíztak, hogy a későbbi  megfigyelések  nem fogják ezeket megerősíteni.
Az elmúlt tizenöt év eredményei azonban egyöntetűen arra mutatnak, hogy ezek
a  jelenségek  továbbra is megfigyelhetők, és nem  megfigyelési  hibák  vagy
téves  magyarázatok  eredményei.  Sőt  egyre  több  extragalaktikus objektum 
esetében  fedeznek  fel  a  fénysebességet  sokszorosan  meghaladó sebességű 
mozgásokat.  1986-ban  már  tizennégy  ilyen  objektumról tudtunk, többségük
kvazár, de előfordultak közöttük rádiógalaxisok is.
   A megfigyeléseket  a  hatvanas években  kifejlesztett  rádiócsillagászati
technikával   végezték,    amelynek    neve   "nagyon   hosszú   bázisvonalú 
interferometria", angol rövidítéssel VLBI. Lényege az, hogy nagy távolságban
elhelyezkedő    rádióteleszkópok    egy    rádióinterferométer    elemeiként
működtethetők  anélkül,  hogy  fizikai  kapcsolatban  lennének  egymással. A
teleszkópok nagy távolsága és a megfigyelésnél alkalmazott rövid hullámhossz
egészen   különlegesen    nagy    felbontóképességet   biztosít   az   ilyen
megfigyeléseknél.  Példaképpen  megemlítjük, hogy Green Bank (West Virginia,
USA)  és  Szimeiz  (Krím, Szovjetunió)  rádióteleszkópja között  a  távolság
8000 km. A 3 cm-es hullámhosszon a két rádióteleszkópból álló interferométer
felbontóképessége  6*10-4E ívmásodperc.  Ez  mintegy  ezerszerese  a  Földön
elhelyezett optikai teleszkópokkal elérhető szögfelbontásnak.
   A VLBI technika - a rádiócsillagász "mikroszkópja"  - különösen  alkalmas
rendkívül  kis szögkiterjedésű  rádióforrások szerkezetének feltérképezésére
és ugyanakkor  a szerkezetben viszonylag rövid idő alatt  beálló  változások 
megfigyelésére. Ezért elsősorban rádiógalaxismagok és kvazárok szerkezetének
vizsgálatára. alkalmazzák.
   Az   alábbiakban  az  elsők  között  felfedezett  öt  szuperfénysebességű
rádióforrást ismertetjük.

   A  3C345-ös kvazár.   Az   egyik    legrégebben    és   legrészletesebben
tanulmányozott  csillagszerű  rádióforrás  a 3C345. Vöröseltolódása z=0,595,
amiből kiszámítható a távolsága. A Hubble-konstans értékét H=55 km/s/Mpc-nek
véve, távolságára 7,8 milliárd fényév adódik.
(Pozíciója: RA 16h 41m, D=+39º).  Magas  deklinációja  miatt  különösen  jól
megfigyelhető  az északi féltekén levő rádióobszervatóriumokból. Ez a kvazár
mind  optikai,  mind rádiófényességét változtatja. Az optikai fényváltozások
néhány  napos,  néhány  hetes  időskálán  mutatkoznak  meg,  és   elérik   a 
2 magnitúdót.  Hosszú ideig tartó, néhány hónapos, néhány éves változások is 
megfigyelhetők  fényességében.  A  rádiómegfigyelések  szerint  a   rövidebb
hullámhosszak  felé  egyre  nagyobb fluxusingadozások mutatkoznak. Spektruma
jellegzetes,   szinkroton   eredetű  rádiósugárzásra  vall.   Az  első  VLBI
megfigyeléseket  1968-ban végezték, amely során kiderült, hogy  néhány ezred 
ívmásodperc  kiterjedésű   rádiószerkezete  van.   Később   két,   egymástól 
függetlenül  dolgozó  kutatócsoport  egyöntetűen  arra az eredményre jutott,
hogy a  3C345 magja  kettős  szerkezetű,  vagyis  a sugárzás két gócból ered
4 cm-nél rövidebb hullámhosszakon.  A két komponens szögtávolságát több éven
keresztül  nagy  gonddal  figyelték, és  azt tapasztalták,  hogy  távolodnak 
egymástól.  Távolságuk 7 év  alatt  mintegy  háromszorosára  növekedett, ami
0,17*10-3E  ívmásodperc/év távolodási szögsebességnek felel meg. A távolodás
azonban  nem  teljesen egyenletes.  1972-1973-ban mintha kisebb mértékű lett
volna,   mint   az  1975-1976-os   években.  A   komponensek   távolodásának 
szögsebessége  az  objektum távolságának ismeretében átszám ítható tényleges
sebességre.  Ebből  a  3C345  rádiókomponenseinek   távolodási   sebességére 
hétszeres  fénysebesség  adódik.  A  komponensek   távolsága   független   a
megfigyelési   hullámhossztól,  sugárzásuk  erőssége  viszont  nem.  Ez  azt 
jelenti,  hogy  a  gócok  spektruma különböző.  A  kilövellés  irányában sem 
tapasztaltak  hullámhosszfüggőségeket;  a  pozíciószög  értéke 105º ″ 3º.  A
komponensek   távolodása   alapján  visszafelé  számolva   meghatározható  e
folyamat  kezdetének  időpontja,  amely 1966-ra tehető. A 3C345 sugárzásában
hirtelen  fellángolást tapasztaltak az 1966-os évet követően,  2 év  alatt a
sugárzás  erőssége a  kétszeresére növekedett. Ez az erős sugárzás azóta  is
fennmaradt.  A  két  időpont  közelsége  arra  vall,  hogy  a  két  jelenség
összefüggésben állhat egymással.

   A  3C273-as kvazár.   Bár   a   3C273   az    első   azonosított   kvazár
(Pozíciója: RA 12h 26m, D=+2º),  alacsony  deklinációja alaposan megnehezíti
VLBI  megfigyelését.  Vöröseltolódása:  z=0,158,  ami  2,6  milliárd  fényév 
távolságnak  felel  meg.  Szerkezete  összetettebb,  mint  a  3C345-é, és ha
figyelembe vesszük kedvezőtlenebb elhelyezkedését is az égbolton, nem csoda,
ha különböző szerzők különbözőképpen magyarázzák a méréseket.  Egy  dologban
azonban megegyeznek: nevezetesen  abban, hogy 1971 és 1974  között  a  3C273
kiterjedése jelentős mértékben növekedett.  A legvalószínűbb modellillesztés 
szerint belső szerkezete  három  komponensre  bomlik,  amelyek  egy vonalban 
helyezkednek el  64º-os  pozíciószögben.  A  két  külső komponens  egymáshoz 
viszonyított    távolodási    szögsebessége    9*10-4E    ívmásodperc,   ami
tizenkétszeres   fénysebességnek   felel   meg   a   3C273  távolságában.  A
komponensek   méretei  3-13  fényév  közöttiek.   Ezt  a   modellt  1975-ben
publikálták. Az  újabb  összefoglaló adatok szerint az utóbbi 7 év átlagában
a   távolodás    szögsebessége   csak   3,2*10-4E    ívmásodperc,  vagyis  a
fénysebesség  4,2-szerese.  A  távolodás   alapján  visszafelé   számolva  a
folyamat kezdeti időpontjára 1966 adódik. A 3,8 cm-es  hullámhosszon végzett
intenzitásmegfigyelések   a   3C273   esetében   is   hirtelen  fellángolást
tanúsítanak.

   A 3C120-as rádiógalaxis. A 3C120 jelű rádiógalaxis talán a  legfigyelemre
méltóbb  szuperfénysebességű  objektum.  Vöröseltolódása:  (z=0,033) alapján
távolsága   580  millió   fényév.  Pozíciója: RA 4h 30m, D=+5º.  Intenzitása 
jelentős  mértékű  szabálytalan ingadozásokat mutatott, ezért sok megfigyelő
csillagász  figyelmét vonta magára. VLBI  megfigyelési  kampányok alkalmával 
előfordult,  hogy  egyidejűleg  négy  teleszkóp  is megfigyelte. Az együttes
megfigyelések  kiértékelése  szerint  a forrás  két sugárzó gócból áll, ezek 
azonban a teljes sugárzásnak  csak  kis  részét  szolgáltatják,  és  mintegy 
beágyazódnak egy  kiterjedtebb, de ismeretlen szerkezetű  sugárzó közegbe. A
két  góc  pocíciószöge 65º.  Két távolodási folyamat figyelhető meg. Az első
1972-ben   kezdődött   és   1974-ig   követhető, a   távolodás  sebessége  a
fénysebesség  ötszöröse.  A  második  1974-ben  kezdődött,  és  sebessége  a
fénysebesség nyolcszorosa. Mindkét esetben a pozíciószög 65º.

   A 3C279-es  kvazár.  A  3C279  jelű kvazár vöröseltolódása z=0,538, ebből 
távolsága  7,2 milliárd  fényév   (pozíciója: RA 12h 53m, D=-5º).   Erről  a 
forrásról  állnak  a  legbizonytalanabb  adatok rendelkezésre. 1970-1973-ban
végeztek VLBI megfigyeléseket a 3,8 cm-es hullámhosszon. Ezek alapján táguló
kettős forrást találtak magjában, amelyek  távolodási  sebessége  0,27*10-3E
ívmásodperc/év.  Ez  az érték  tízszeres  fénysebességnek  felel meg a 3C279
távolságában.  Lehetséges,  hogy  itt  is megfigyelték egy tágulási folyamat
kezdetét,  mert  1972  márciusában   és  áprilisában  a  megfigyelt  kompakt
sugárzási góc mérete kisebb volt, mint a VLBI rendszer felbontóképessége, de
1972 novemberében ugyanezzel a rendszerrel már sikerült felbontani.

   A 3C179-es kvazár.    Tízévi    szünet    után    sikerült    az   ötödik
szuperfénysebességű objektumot felfedezni. A 3C179-es jelű kvazár belsejében
R. W. Porcas, a bonni Max Planck Rádiócsillagászati Intézet munkatársa olyan
mozgásokat  észlelt,  amelyek  7,6-szorosan  felülmúlják  a fény sebességét.
Ráadásul  az  első  olyan  szuperfénysebességű kvazár, amelyből szimetrikus,
nagy kiterjedésű kettős rádiónyaláb nyúlik ki.
   A  3C179  egy  halvány  18  magnitúdós  csillagszerű  rádióforrás,  amely 
163 000 km/s  sebességgel távolodik tőlünk. Vöröseltolódása  z=0,843, aminek 
alapján távolsága 9,7 milliárd fényévre becsülhető.
   A külső szimetrikus rádiónyaláb kiterjedése 14 ívmásodperc. A sugárzás 30
százaléáka  azonban  egy  eddig felbontatlan, igen kompakt középponti magból
származik. Ezt  a magot tette vizsgálata tárgyává Porcas. Akkor még nem volt 
ismeretes,  hogy  a  mag   10  éves  és  1  éves  időskálán  is  változtatja 
sugárzásának intenzitását.
   A  megfigyeléseket  két  alkalommal,  1979  októberében és alig egy évvel
később,   1980  decemberében   végezték   VLBI  technikával  a  10,7  GHz-es
frekvencián,  négy rádióteleszkóppal egyidejüleg az Effelsberg (NSZK), Green
Bank  (West Virginia)  Haystack Obszervatórium  (Massachusetts)  és az Owens
Valley (California)  állomásokon.  Mind  a  négy  állomás  fel volt szerelve 
hidrogénmézeratomórákkal,   amelyek   a   jelenleg    létező    legstabilabb
oszcillátorok.  Ez  tette  lehetővé,  hogy  a  jeleket  legalább négy percig 
összegezhessék  úgy, hogy  fázisuk egymáshoz képest ne változzék jelentősen.
Erre azért  volt szükség,  mert a  3C179  nem tartozik az erős rádióforrások
közé, és  csak tartós  jelösszegzéssel lehet kiemelni a háttérzajból. A VLBI
állomások  legnagyobb  felbontóképessége  0,5 mas (ezred ívmásodperc egység) 
volt.  Mindkét  alkalommal  legalább 11 óra hosszan  követték  a  forrást az
állomásokon,  és   így  megbízhatóan  kiértékelhető   megfigyelési  anyaghoz 
jutottak.
   Az  1979-es  megfigyelések  kiértékelésekor  kiderült,  hogy a középponti 
magot  sikerült  felbontani.  Két  sugárzási  gócból  áll, amelyek távolsága
1,07 ″ 0,01  mas; az 1980-as megfigyelési anyag  kiértékelésekor a két gócot 
ismét megtalálták, távolságuk azonban 1,24 ″ 0,01  mas-re  növekedett.  Ez a
változás 7,6-szeres  fénysebességnek  felel  meg  a  3C179  távolságában.  A
távolodás alapján visszafelé  számítva  1972-ben kellett ennek a folyamatnak
megindulnia.  Sajnos,   ebből  az  időből   nincsenek  rádiómegfigyelések  a
3C179-ről, amelyek a kvazár hirtelen kitörését észlelték volna.
   A két komponens relatív erőssége is változott a két megfigyelési  időszak
között.  1979-ben  a  keleti  góc  kétszer  olyan erős volt, mint a nyugati. 
1980-ban az eltérés tövább növekedett. Ezen a skálán már egyik komponens sem
bontható fel,  és nem egészen világos, melyik tekinthető a  tényleges magnak
és melyik a kivált nyúlványnak. Egyes jellemzők azonban mégis arra vallanak,
hogy  az erősebb  keleti komponens a kompaktabb, ezért  ez  lehet  a  kvazár
valódi magja.
   A 3C179-es  kvazár  esete  azonban  más  szempontból is figyelemre méltó. 
Kiterjedt  kettős  nyalábja  miatt  a  kvazárok  olyan csoportjába tartozik, 
amelyek   között   nem   feltételeztek   szuperfénysebességű   objektumokat.
P. Scheuer   és   A. Readhead  angol  asztrofizikusok  ugyanis  kifejezetten 
megjósolták,  hogy  az ilyen szimetrikus kettős nyalábot tartalmazó kvazárok
között nem fognak  szuperfénysebességű objektumokat találni. Mégis sikerült,
és  ez  azt  bizonyítja,  hogy   a  kvazárokra  vonatkozó  elméleteink   nem 
tökéletesek,   illetve   a   szuperfénysebességű   objektumok   előfordulása 
gyakoribb, mint korábban feltételezték.

   A   szuperfénysebességgel    táguló   objektumokról   összefoglalásul   a
következőket mondhatjuk.
   A  centiméteres  hullámhosszakon  a legerősebb rádióforrásoknak csaknem a
fele  a  fénysebességnél  nagyobb  sebességű tágulás jeleit mutatja. Méretük
néhány év alatt tízszeresre is megnövekedhet.
   Rendszeres  összehúzódást  nem  figyeltek  meg. A komponensek távolsága a
forráson  belül  lényegében  független  a  megfigyelési  hullámhossztól, bár
spektrumuk  eltérő  lehet.  Pozíciószögük  a  tágulás  során  általában  nem 
változik,  de  előfordulhatnak  kivételek.  Legalább egy esetben (3C120) két
kitörést tapasztaltak ugyanazon pozíciószög irányában.
   A  komponensek  távolodásának  megindulására  extrapolált  időpont  körül 
általában hirtelen sugárzásnövekedés figyelhető meg.
   A  3C345-ről  és  a  3C120-ról összesített  adatok kétkomponensű forrásra
utalnak.  A 3C273  ezeknél  bonyolultabb szerkezetű. Vannak az említettekhez 
teljesen hasonló méretű és intenzitású rádióforrások, amelyek egyáltalán nem
mutatnak  szerkezeti  változást az idők folyamán, bár sugárzási intenzitásuk 
jelentősen ingadozik. Ilyenek pl. a 3C84 és az NRAO 150 jelű rádióforrások. 
   A  szuperfénysebességű   tágulással   kapcsolatban   a    legkézenfekvőbb 
ellenvetés a kvazárok kozmológiai távolságának kétségbevonása. Ha a kvazárok
távolságát  nem  számíthatjuk  vöröseltolódásukból,  és azok a feltételezett
távolságnál  kb.  1  nagyságrenddel  közelebb   vannak,  a  mért  távolodási
sebességek azonnal fénysebességnél kisebbekké válnak.
   Megfordítva a gondolatmenetet, többen éppen az említett méréseket  hozták
fel a kvazárok lokális jellegének bizonyítékaként.
   Ez  az  érvelés  azonban  nem állja meg  a  helyét, mert pl. a 3C120 jelű
forrás rádiógalaxis és nem kvazár, mégis szuperfénysebességű tágulás  jeleit
mutatja.
   Több  elmélet  is  született,  amellyel   megkísérelték  megmagyarázni  a
szuperfénysebességű mozgásokat a relativitáselmélet keretein belül.
   Az  ún.  "karácsonyfa"-modell  szerint  az  említett  rádióforrások  több
komponensből   állnak,  melyek  egymáshoz  képest  változtatják   sugárzásuk 
erősségét.  Amikor  az   egyik  komponens  elhalványul,  egy   másik   pedig 
megerősödik, a  távoli szemlélő  azt észleli, hogy a sugárzási góc  hirtelen
helyet változtat. Ennek sebessége természetesen tetszőlegesen nagy lehet.
   Az  a  tény,  hogy  a  legerősebb  kompakt  rádióforrások  csaknem   fele
szuperfénysebességgel  tágul,  sőt  az  egyikük  esetében  két alkalommal is 
megfigyelték     kettős     komponensek      kialakulását,     nyomósan    a
"karácsonyfa"-modell  ellen   szól.  Ennek  alapján  statisztikusan  ugyanis
ugyanannyi  összehűzódó  rádióforrást kellene észlelni, mint amennyi tágulót 
figyelnek meg. Összehúzódást azonban eddig nem tapasztaltak.
   A legszélesebb körben  M. Rees  neves angol asztrofizikus egyik modelljét 
fogadják  el.  E  szerint,  ha  egy  távoli  objektumból közel fénysebességű
részecskék indulnak ki a külső megfigyelő irányához közeli irányban, a gócok
szögtávolságának  méréséből  a  távoli  külső  szemlélőnek a fénynél nagyobb 
távolodási sebesség adódik.  A modell egyik érdekessége, hogy  Rees 1966-ban 
publikálta, amikor még nem tudtak ilyen objektumok létezéséről.
   Rees modellje kétségtelenül egzakt magyarázatot ad arra, miképpen  tűnhet
egy  saját  rendszerében  fénysebességnél  kisebb  sebességű  mozgás a külső
szemlélő számára szuperfénysebességűnek. Gyengéje viszont, hogy a kitörés és
a megfigyelő  kölcsönös  irányának  olyan túl speciális esetét tételezi fel,
amely  statisztikusan  csak  ritkán  fordulhat  elő.  Tágabb  összefüggésben
tekintve, ezt a fajta modellt azonban igen sikeresnek mondhatjuk.
   A  felsoroltakon  kívül  egyéb  elméletek  is  napvilágot  láttak, de még
egyiküket  sem  fogadták  el  széles  körben.  Lehetséges, hogy nem is lehet
egyetlen  elmélettel megmagyarázni a szuperfénysebességgel táguló objektumok
minden  tulajdonságát, hanem  az elméletek kombinációja segít majd.  Azt sem 
zárhatjuk ki,  hogy ezeknek az objektumoknak további sokoldalú  megfigyelése 
újabb meglepetéseket tartogat még.                                       (1)


(1)   Emmanuil Jakovlevics Vilkoviszkil: A rejtélyes kvazárok
       (Gondolat, Bp. 1988.) 102-113. o.
Google
 
Web iqdepo.hu
    © Copyright 1996-2017
    iqdepo / intelligence quotient designing power - digitális kultúrmisszió 1996 óta
    All rights reserved. Minden jog fenntartva. | xhtml, css, 508
internetes partnerünk:
Netmester
netmester a holnaptervező