Kaip pamatyti tai, ko jau nebėra? Vingiuota šviesos kelionė

Šviesa turi vieną labai patogią savybę: ji juda greitai, bet ne per greitai. 300 tūkstančių kilometrų per sekundę yra daug daugiau, nei kasdieniame gyvenime sutinkami greičiai, todėl į baigtinį greitį galime nekreipti dėmesio*. Tačiau astronomams šviesos greitis yra labai naudingas. Juk kuo tolesnį objektą stebime, tuo ilgiau šviesa nuo jo keliauja iki mūsų, taigi tuo senesnį vaizdą matome. Taip šviesa leidžia mums pažvelgti į Visatos praeitį ir tirti jos evoliuciją.

Tačiau šviesa turi ir nelabai patogią savybę: ji visa keliauja vienodu greičiu. Nekreipiant dėmesio į šviesos greičio skirtumus judant skirtingose terpėse (kosmose terpės skiriasi nepakankamai, kad pastebimai pakeistų šviesos greitį), iš vieno šaltinio vienu metu išspinduliuoti fotonai mus pasiekia visi kartu. Tai reiškia, kad bet kokio objekto vaizdą matome „tokiu pat greičiu“, kaip tikrovėje. Nesvarbu, kad galaktikos vaizdas yra milijardo metų senumo; penkerius metus ją stebėdami ir pamatysime tik penkerius metus evoliucijos. O astronomijoje, kaip žinia, tokie laiko tarpai – ar tai būtų penkeri metai, ar keturi šimtmečiai (laikas nuo teleskopo išradimo), ar netgi tūkstantmečius skaičiuojant civilizacijos istorija – yra visiškai menki. Taigi atrodo, jog esame pasmerkti apie Visatą spręsti tik iš momentinių jos darinių nuotraukų, o reiškinių progresą nustatyti galėtume tik tada, kai kitimas vyksta per keletą (ar, daugiausiai, keletą dešimčių) metų. Bet ar tikrai?

Turbūt jau supratote, kad jei atsakymas į „ar tikrai“ būtų „taip, tikrai“, tai šito įrašo čia nebūtų. Nepaisant tokio apribojimo – šviesos judėjimo tiesiomis linijomis pastoviu greičiu – kartais įmanoma nustatyti objekto savybes, kokios jos buvo prieš daugybę metų. Čia į pagalbą mums ateina reiškinys, vadinamas „šviesos aidu“.

Reiškinio principą nusako jo pavadinimas. Mums pažįstamas aidas yra garso „atsispindėjimas“ nuo ko nors. Kartais nuo paviršiaus (pvz. sienos ar uolos), kartais – nuo kitokio barjero (pvz. miško). Priklausomai nuo atspindinčio barjero, aidas gali būti labai aiškus arba miglotas. Šviesos aidas iš esmės yra labai panašus procesas: šviesa tarsi atsispindi nuo kažkokios kliūties ir ima judėti kita kryptimi. Arba visomis kryptimis, t.y. yra išsklaidoma.

Kuo tai naudinga? Vėlgi, pagalvokime apie aidą. Jei sušunkate kažkur lauko vidury, aidas grįžta po kurio laiko; priklausomai nuo to, kaip toli kliūtis, gali tekti jo palaukti ir keletą sekundžių. Jei sušunka kas nors kitas, jūs pirma išgirstate žmogaus balsą, o paskui – aidą. Lygiai taip pat ir su šviesos aidu. Šviesa, judėdama tiesiai nuo šaltinio iki stebėtojo, nueina vieną atstumą, o judėdama iki kliūties, nuo jos atsispindėdama ir tada pasiekdama tą patį stebėtoją turi įveikti didesnį nuotolį. Vadinasi, objekto vaizdą matome vienokį, o jo aidas mus pasiekia iš senesnių laikų.

Schema, pavogta iš Vikipedijos. Spindulys A eina tiesiai nuo šaltinio stebėtojo link, o B ir C – atsispindėję. Todėl B ir C įveikia didesnius atstumus ir keliauja ilgiau.

Šioje vietoje verta paaiškinti, kokius aidus galima gauti, kartu atsakant į klausimą, kodėl gi tai vadinama „aidu“, o ne „atspindžiu“. Ogi todėl, kad žodis „atspindys“ mums paprastai reiškia ryškų ir aiškų vaizdą, tokį, kokį matome veidrodyje. Tuo tarpu aidas visada yra bent šiek tiek iškraipytas. Taip ir su šviesos aidu: veidrodžių kosmose nėra, taigi kad ir kokia bebūtų kliūtis, iškreipianti ar išsklaidanti šviesą, ji pakeičia ir tos šviesos savybes (pvz. spektrą). Todėl ir apie šaltinio savybes spręsti galime tik netiesiogiai.

Bet „netiesiogiai“ vis tiek yra geriau, negu nieko. Kad ir koks neaiškus būtų šviesos aidas, jį galima analizuoti ir bent šį tą sužinoti apie šaltinį. Vienas to pavyzdys – mūsų Galaktikos centras. Ten yra supermasyvi juodoji skylė, kurios šviesis šiuo metu labai mažas. Bet kažkada seniau Galaktikos centras greičiausiai švytėjo gerokai ryškiau, nei dabar. Vienas iš būdų tą sužinoti – šviesos aidai dujų telkiniuose arti centro. Kai kurie debesys spinduliuoja taip, kad aiškiai buvo sužadinti išorinės šviesos. Stebėdami debesis keletą metų pastebime, kad spinduliuotė sklinda ne iš viso debesies, o iš jo dalies. Ta dalis vis kinta, ir ne bet kaip, o vieningu frontu tolsta nuo centrinės juodosios skylės. Šių duomenų jau pakanka apskaičiuoti, kad prieš maždaug 100-300 metų juodoji skylė mūsų Galaktikos centre švytėjo bene milijoną kartų ryškiau, nei dabar, o šis padidėjusio aktyvumo epizodas truko bent 10 metų.

Šviesos aido schema. Stebėtojas yra toli apačioje, šaltinis pažymėtas žvaigždute, o sužadinimas dujų debesyse – mėlynai, geltonai ir violetiškai. ©E. Churazov, M. Gilfanov, R. Sunyaev, MPE Garching

Kitais atvejais šviesos aidas padeda sužinoti apie šaltinio aplinką. Apie Galaktikos centre esančius debesis žinome ir taip, bet kitur tokių žinių neturime. Kai 2002-aisiais metais danguje sužibo nauja žvaigždė – staigiai smarkiai paryškėjusi Vienaragio V838, ją pradėta fotografuoti įvairiais teleskopais, taip pat ir Hablu. Netrukus atsiskleidė įdomus vaizdas (žr. žemiau). Iš pirmo žvilgsnio atrodytų, kad nuo žvaigždės pučiamas dulkių apvalkalas ar kažkas panašaus. Bet detalesnė analizė parodė, jog iš tiesų dulkių aplink žvaigždę buvo ir seniau, o čia matome tik sprogimo spinduliuotę, kuri apšviečia vis didesnį tūrį aplink žvaigždę.

 

Vienaragio V838, nuo sprogimo pradžios 2002-aisiais iki 2004-ųjų metų. Vėliau regimasis dydis vis dar plėtėsi, bet jau nebe taip sparčiai, o pastaruoju metu ėmė mažėti. ©NASA, ESA, H.E. Bond (STScI) and The Hubble Heritage Team (STScI/AURA)

Taigi, iš Visatos tolybių ataidinti šviesa gali mums papasakoti apie šimtmečių senumo praeitį, net ir lyginant su ta praeitimi, kurią matome tiesiogiai. Žinoma, tam reikia gerų sąlygų – atspindinčio dujų telkinio pakankamai arti šaltinio. Be to, aidas yra silpnesnis už tiesioginį signalą, nes nuėjęs ilgesnį kelią labiau išsisklaido, taigi kuo toliau į praeitį norime pažvelgti, tuo silpnesnius aidus tenka analizuoti. Galiausiai, reikia sugebėti atskirti atspindinčio objekto savybes nuo šaltinio savybių. Bet visa tai yra įveikiamos kliūtys, ir šviesos aidai plečia mūsų akiračius.

Laiqualasse

* – įdomus dalykas, tik nelabai į temą: pasirodo, baigtinis šviesos greitis yra svarbus akcijų biržos dalyviams, nes dideli išlošimai ten ateina iš prekybos, pasinaudojant milisekundžių trukmės kainų svyravimais. Taigi ypatingai svarbi signalų perdavimo trukmė iš vieno finansų centro į kitą. Kaip žinia, iš dalies ši trukmė priklauso ir nuo šviesos greičio; kitus trikdžius galima pašalinti tobulinant algoritmus, tinklo protokolus bei įrangą, tačiau už šviesą greičiau signalų neperduosi. Todėl statant didelius skaičiavimų centrus, vis dažniau jų vieta yra renkamasi pagal tai, kaip greitai galima perduoti signalus į Niujorką, Londoną ar kokią kitą didelę akcijų biržą.

12 comments

  1. Ech tas nelemtas sviesos greitis. Yra toks dalykas kaip pingas IT. t.y. kiek trunka uzklausos pasiuntimas ir grizimas atgal iki serverio. Kiekvienas zaidejas ta zino. Kad normaliai galima butu zaisti zaidima online realiu laiku pingas turetu buti apie 50 ms. Sakykim zaidziama New York serveryje, atstumas 7000 km. I abi puses – 14000 km. Sviesa si atstuma iveikia per 50 ms. Taigi vos uztenka kad butu galima zaisti. O ikaitant ir laikus kad uztrunka paciuose serveriuose bei kad keliauja ne visai tiesiai. Gauname jog ir neimanoma. Netoks ir didelis tas greitis :)

    1. Ačiū, turėsiu omeny, kad rašyti reikia labiau šitaip, nei kitaip (nors nesu tikras, ar žinau, ką čia padariau geriau, nei kituose rašiniuose :))

  2. Atgalinis pranešimas: Kosminė archeologija | Konstanta-42

Leave a Reply

El. pašto adresas nebus skelbiamas. Būtini laukeliai pažymėti *