''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.