Se on modernin fysiikan kulmakivi, että mikään maailmankaikkeudessa ei ole nopeampaa kuin valon nopeus (c). Einsteinin erityissuhteellisuusteoria sallii kuitenkin tapaukset, joissa tietyt vaikutteetnäkyviinkulkea valoa nopeammin rikkomatta syy-yhteyttä. Nämä ovat niin sanottuja 'fotonisia puomeja', konsepti, joka muistuttaa äänipuomia, jossa valopilkut saadaan liikkumaan nopeammin kuinc.
Ja Michiganin teknologisen yliopiston fysiikan professorin Robert Nemiroffin uuden tutkimuksen mukaan (ja toinen Päivän tähtitieteen kuva ), tämä ilmiö voi auttaa loistamaan valoa (ei sanapeliä!) kosmoksessa, mikä auttaa meitä kartoittamaan sen tehokkaammin.
Harkitse seuraavaa skenaariota: jos laser pyyhkäistään kaukaisen kohteen – tässä tapauksessa Kuun – yli, laservalopiste liikkuu kohteen poikki nopeudella, joka on suurempi kuinc. Pohjimmiltaan fotonien kerääminen kiihtyy valon nopeuden ohi, kun piste kulkee sekä kohteen pinnan että syvyyden läpi.
Tuloksena oleva 'fotoninen puomi' tapahtuu salaman muodossa, jonka tarkkailija näkee, kun valon nopeus putoaa superluminaalisesta valonnopeuden alapuolelle. Sen tekee mahdolliseksi se, että täplät eivät sisällä massaa, mikä ei riko erityissuhteellisuusteorian peruslakeja.
Kuva NGC 2261:stä (alias Hubble's Variable Nebula) Hubble-avaruusteleskoopilla. Kuvan luotto: HST/NASA/JPL.
Toinen esimerkki esiintyy säännöllisesti luonnossa, jossa pulsarin valonsäteet pyyhkäisevät avaruudessa leviävien pölypilvien yli luoden pallomaisen valon ja säteilyn kuoren, joka laajenee nopeammin kuin c, kun se leikkaa pinnan. Sama pätee nopeasti liikkuviin varjoihin, joissa nopeus voi olla paljon suurempi eikä rajoitu valonnopeuteen, jos pinta on kulmikas.
American Astronomical Societyn kokouksessa Seattlessa Washingtonissa aiemmin tässä kuussa Nemiroff kertoi, kuinka näitä vaikutuksia voitaisiin käyttää universumin tutkimiseen.
'Fotonic buumit tapahtuvat ympärillämme melko usein', sanoi Nemiroff a Lehdistötiedote , 'mutta ne ovat aina liian lyhyitä havaittavaksi. Ulkona kosmoksessa ne kestävät tarpeeksi kauan huomatakseen – mutta kukaan ei ole ajatellut etsiä niitä!”
Hän väittää, että superluminaalisia pyyhkäisyjä voitaisiin käyttää paljastamaan tietoa tähtikappaleiden, kuten lähellä olevien planeettojen, ohittavien asteroidien ja pulsarien valaisemien kaukaisten kohteiden, kolmiulotteisesta geometriasta ja etäisyydestä. Tärkeintä on löytää tapoja luoda niitä tai tarkkailla niitä tarkasti.
Tutkimustaan varten Nemiroff tarkasteli kahta esimerkkiskenaariota. Ensimmäinen koski säteen pyyhkäisyä siroavan pallomaisen esineen poikki – eli valopilkkuja, jotka liikkuivat Kuun poikki ja pulsaarikumppaneita. Toisessa, säde pyyhkäistään 'sirottavan tasomaisen seinän tai lineaarisen filamentin' - tässä tapauksessa Hubblen muuttuvan sumun - poikki.
Laserpyyhkäisyistä johtuvat fotoniset puomit voivat tarjota uuden kuvantamistekniikan ohivien asteroidien kartoittamiseen. Luotto: P. Carril / ESA
Edellisessä tapauksessa asteroidit voitiin kartoittaa yksityiskohtaisesti lasersäteen ja nopealla kameralla varustetun teleskoopin avulla. Laseria voitiin pyyhkiä pinnan poikki tuhansia kertoja sekunnissa ja välähdyksiä voidaan tallentaa. Jälkimmäisessä havaitaan varjojen kulkevan kirkkaan tähden R Monocerotis ja heijastavan pölyn välillä niin suurilla nopeuksilla, että ne luovat fotonisia puomeja, jotka ovat näkyvissä päiviä tai viikkoja.
Tällainen kuvantamistekniikka eroaa pohjimmiltaan suorista havainnoista (joka perustuu objektiivikuvaukseen), tutkasta ja perinteisestä lidarista. Se eroaa myös Tšerenkovin säteilystä – sähkömagneettisesta säteilystä, joka syntyy, kun varautuneet hiukkaset kulkevat väliaineen läpi nopeudella, joka on suurempi kuin valon nopeus kyseisessä väliaineessa. Esimerkkinä on vedenalaisen ydinreaktorin säteilemä sininen hehku.
Yhdessä muiden lähestymistapojen kanssa se voisi antaa tutkijoille mahdollisuuden saada täydellisemmän kuvan aurinkokuntamme kohteista ja jopa kaukaisista kosmologisista kappaleista.
Nemiroffin tutkimuksen on hyväksynyt julkaistavaksi Publications of the Astronomical Society of Australiassa, alustava versio saatavilla verkossa osoitteessa arXiv Astrofysiikka
Lue lisää:
Michigan Techin lehdistötiedote
Robert Nemiroff / Michigan Tech