Šviesos greitis – neįveikiama kosminė riba, apie kurią esame girdėję turbūt kiekvienas. Jos egzistavimas yra viena iš svarbiausių reliatyvumo teorijos išvadų. Tiksliau sakant, išvada skamba taip: objektai, judantys mažesniu nei šviesos greičiu, negali būti įgreitinti iki didesnio nei šviesos greičio; kita, tapati, formuluotė sako, kad informacijos perduoti greičiau už šviesą neįmanoma. Visgi ne visada tai, kas juda, yra „objektas“ ir ne visada tai neša informaciją. Būdų „apeiti“ šviesos greičio ribą yra ne vienas; apie juos rašiau pažintiniame straipsnyje prieš kone septynerius metus. Šiandien kviečiu plačiau susipažinti su vienu iš ten paminėtų virššviesinio judėjimo atvejų – situacija, kai atrodo, kad šviesą aplenkia medžiaga aktyvių galaktikų čiurkšlėse.

Šį pažintinį straipsnį parašiau, nes turiu daug dosnių rėmėjų Contribee platformoje. Ačiū jums! Jei manote, kad mano tekstai verti vieno-kito euro per mėnesį, paremkite mane ir jūs.

Praeito amžiaus septinto dešimtmečio pabaigoje buvo išvystyta astronominių stebėjimų technologija, vadinama labai ilgo pagrindo interferometrija (very long baseline interferometry, VLBI). Apskritai interferometrija yra stebėjimų būdas, kuris panaudoja elektromagnetinių bangų interferenciją – sustiprėjimą arba susilpnėjimą, kai sudedamos dvi truputį kitokį atstumą nukeliavusios bangos. Apie patį reiškinį esu rašęs seniau, o dabar mums svarbu tai, kad VLBI leido apjungti labai toli vienas nuo kito esančius teleskopus į bendrą sistemą ir gauti informaciją apie tokius smulkius objektus danguje, lyg stebėtume juos vienu teleskopu, kurio skersmuo prilygsta atstumui tarp sujungtųjų teleskopų. Taigi, keleto ar keliolikos metrų skersmens radijo teleskopų tinklai staiga tapo šimtų metrų ar kilometrų efektyvaus dydžio prietaisais. Mažiausias išskiriamas dydis danguje yra atvirkščiai proporcingas šiam skersmeniui, taigi ankstesnės galimybės išskirti dešimtadalio sekundės dydžio objektus pagerėjo iki milisekundžių. Vėliau, jau šiame amžiuje, VLBI tinklai pasiekė visos Žemės dydį – Įvykių horizonto teleskopas, išgavęs 25 mikrosekundžių erdvinę skyrą, padarė M87 ir mūsų Galaktikos centrinių juodųjų skylių nuotraukas.

Bet grįžkime į pusšimčio metų praeitį. Milisekundžių erdvinė skyra leido astronomams pažvelgti į tai, kaip medžiaga juda aktyvių galaktikų branduolių čiurkšlėse. Aktyvūs branduoliai, kaip reguliarūs šio tinklaraščio skaitytojai jau greičiausiai žino, yra supermasyvios juodosios skylės ir į jas sparčiai krentančios tarpžvaigždinės dujos. Šios dujos gali suformuoti įvairias struktūras aplink juodąją skylę, o vienas iš darinių yra čiurkšlė. Magnetinis laukas, kurį dujos atsineša su savimi, susisukęs į spiralę sudaro du piltuvus, statmenus dujų disko plokštumai, kuriais plazma gali išlėkti milžinišku greičiu, beveik prilygstančiu šviesos greičiui. Kai kurios čiurkšlės tęsiasi netoli – parseką-kitą nuo centro, kol atsimuša į tankų dujų telkinį ir sustoja. Kitos gali nusidriekti per visą galaktiką ir net už jos ribų. Čiurkšlės nėra visai tolygios – jose matomi sutankėjimai ir susisukimai, kurie, laikui bėgant, tolsta nuo branduolio. Judėjimo greitis dangaus skliaute matuojamas maždaug milisekundėmis per metus, taigi VLBI suteikė galimybę pirmą kartą šiuos greičius išmatuoti. Išmatuotą kampinį greitį paversti į tikrąjį, bent iš pirmo žvilgsnio, visai paprasta – tereikia padauginti iš atstumo iki galaktikos. Galaktikų nuotolius žinojome palyginus neblogai, tačiau atlikus šį paprastą matematinį veiksmą, gautas rezultatas labai nustebino. Pasirodė, kad nereta čiurkšlė, panašu, juda kelis kartus didesniu greičiu, nei šviesa. Kai kurios apskritai plėtėsi dešimtis kartų greičiau už šviesą. Kaip tai paaiškinti?

Paaiškinimo, pasirodo, nereikėjo net laukti. Dar 1966 metais jaunas astronomas Martinas Reesas apskaičiavo, jog dideliu greičiu lekiantis objektams stebėtojams tam tikromis kryptimis gali atrodyti tarsi judantis greičiau už šviesą. Netrukus prieisime ir prie šių skaičiavimų, tačiau pradžiai pristatysiu reiškinį kokybiškai – be formulių.

Įsivaizduokite situaciją: stovite lygioje pievoje, o kiek toliau stovi kitas žmogus, turintis pilną maišą teniso kamuoliukų. Jis tuos kamuoliukus mėto į jus. Išmeta po kamuoliuką kas sekundę, visus identiškai tiksliai. Turbūt nenustebinsiu pasakęs, kad ir jus kamuoliukai pasieks kas sekundę. Dabar įsivaizduokime, kad žmogus pradeda eiti jūsų link, tebemėtydamas kamuoliukus. Nors kamuoliukai išmetami kas sekundę, kiekvienam iš jų iki jūsų reikia įveikti vis trumpesnį kelią, todėl jus jie pasieks dažniau, nei kas sekundę. Šis reiškinys, galima sakyti, yra Doplerio efekto atmaina: pakeitę kamuoliukus garso bangomis, pamatysime, kad artėjančio žmogaus skleidžiamo garso dažnis pakyla, kitaip tariant, bangų keteros pasiekia mus dažniau, nei jam nejudant. Dabar įsivaizduokime, kad žmogus pakeičia kryptį – ima eiti į šoną, ratu aplink jus. Dabar nesvarbu, kokiu greičiu jis judės, kamuoliukai vėl jus pasieks kas sekundę. Tačiau net jei nematytumėte paties žmogaus, stebėdami, iš kur atlekia kiekvienas kamuoliukas, galėtumėte apskaičiuoti, kaip greitai žmogus juda: tam tereikėtų žinoti atstumą iki jo.

Na gerai, trys aukščiau aprašytos situacijos – labai paprastos. O dabar pagalvokime, kas nutiktų, jei žmogus judėtų kampu į jus, bet to nežinotumėte – žinotumėte tik apytikrį atstumą iki jo. Dėl to, kad žmogus artėja jūsų link, kamuoliukus pagautumėte dažniau, nei kas sekundę. Taigi galbūt padarytumėte išvadą, kad ir išmetami kamuoliukai yra dažniau, nei iš tiesų. Tuomet, bandydami apskaičiuoti žmogaus judėjimo į šoną greitį, pasislinkimą (kurį apskaičiuotumėte daugmaž gerai, nes kamuoliukų atlėkimo kryptis išmatuoti teisingai lengva, o atstumą iki jo apytikriai žinote) padalinę iš mažesnio už tikrąjį laiko intervalo, gautumėte didesnį skaičių, nei tikrasis. Norėdami sužinoti, kiek didesnį, matematikos jau neišvengsime.

Nuo kamuoliukus mėtančio žmogaus grįžkime prie astrofizikinės sistemos – spinduliuojančio sutankėjimo aktyvios galaktikos čiurkšlėje; neabejoju, kad analogija tarp šių situacijų yra aiški. Aukščiau esančioje diagramoje sutankėjimas pažymėtas raide , jo trajektorija – tiesi linija , stebėtojas yra taške , o kampas tarp krypčių ir yra . Sutankėjimo greitis, nukreiptas išilgai , yra , kur yra dydis tarp nulio ir vieneto, naudingas tiesiog tuo, kad šiek tiek supaprastina formules, o – šviesos greitis. Paprastos trigonometrinės išraiškos mums sako, kad sutankėjimo greitis mūsų link yra , o statmena kryptimi – . Sutankėjimas nuolat spinduliuoja fotonus. Panagrinėkime du iš jų: pirmasis išspinduliuotas taške laiko momentu , antrasis – taške laiko momentu . Nesunku suskaičiuoti ir laiko intervalą tarp šių momentų: , kur yra atkarpos ilgis. Pirmasis fotonas mus pasiekia laiko momentu , antrasis – laiko momentu . Laiko tarpas tarp šių momentų yra . Akivaizdu, kad , tad laiko tarpas tarp fotonų pagavimo yra trumpesnis už laiko tarpą tarp jų išspinduliavimo. Jei atstumai ir yra daug didesni už – o praktikoje taip ir yra – skirtumą galime išreikšti kaip . Tuomet ir laiko intervalo išraiška supaprastėja: . Paskutinėje lygybėje čia panaudojome sąryšį .

Dabar pažiūrėkime, kas gaunasi bandant suskaičiuoti sutankėjimo greitį statmena mums kryptimi, kitaip tariant, dangaus skliaute. Laiko momentu jį matome kryptimi , o laiko momentu – kryptimi . Atstumas tarp jų dangaus plokštumoje yra . Greičiui, kurį pažymėsime regimuoju, t.y. , apskaičiuoti padalinkime atstumą iš laiko intervalo: . Šią išraišką galime šiek tiek suprastinti; patogiausia yra tai, kad atstumas pranyksta: . Dar galime padalinti abi puses iš šviesos greičio: .

Na, išraišką gavome. Ką ji mums sako? Visų pirma, matome, kad regimasis greitis visada yra didesnis už tikrąjį greitį dangaus plokštumoje. Pastarasis yra , o regimajam gauti šį dydį padaliname iš mažesnio už vienetą faktoriaus . Galime apskaičiuoti, kokiomis sąlygomis , t.y. apskaičiuotas greitis dangaus plokštumoje viršija šviesos greitį vakuume. Užrašę nelygybę ir padauginę abi puses iš kairiosios pusės vardiklio, gauname arba . Kampo sinuso ir kosinuso suma, jei pats kampas yra tarp nulio ir 90 laipsnių, visada didesnė už vienetą, vadinasi kad ir kokia kryptimi judėtų čiurkšlė, jei bent truputį artėja mūsų link, įmanoma situacija, kad ji atrodytų judanti greičiau už šviesą. Iš kitos pusės, yra minimalus greitis, kurio nepasiekus, regimasis virššviesinis greitis neįmanomas. Ši greičio vertė yra , arba maždaug 212 tūkstančių kilometrų per sekundę, beveik 71% šviesos greičio. Čiurkšlės įprastai juda daug greičiau, tad ir virššviesiškumas – įmanomas. Stipriausias efektas, t.y. didžiausias regimojo greičio padidėjimas, lyginant su tikruoju, gaunamas tada, kai kampo kosinusas lygus . Taigi jei čiurkšlė juda nedaug greičiau už minimalią reikalingą greičio vertę, virššviesinį judėjimą matysime tik tuo atveju, jei ji nukreipta beveik 45 laipsnių kampu į mus; tuo tarpu jei čiurkšlės greitis labai artimas šviesos, didžiausią – labiausiai virššviesinį – judėjimo greitį nustatysime tada, kai čiurkšlė lėks beveik tiesiai į mus.

Taigi, su įdomybe susipažinome, formulę išvedėme, reliatyvumo teoriją išgelbėjome – iš tiesų niekas greičiau už šviesą nejuda, taip tik atrodo. Kas iš to? Na, neskaitant tiesiog įdomumo – o būtent tai ir yra pagrindinė priežastis, kodėl iš viso užsiimame fundamentiniais mokslais, tokiais kaip astronomija. Viena nauda yra tai, kad didesniu regimuoju greičiu judančias čiurkšles stebėti yra lengviau. Galėdami matyti pasikeitimus jose realiu laiku, astronomai daug daugiau sužino apie čiurkšlėse vykstančius procesus, įskaitant tų pačių sutankėjimų formavimąsi ir nykimą, sąveiką su pakeliui pasitaikančiais objektais ir taip toliau. Be to, išmatavę regimąjį greitį dangaus skliaute galime, bent jau apytikriai, nustatyti ir čiurkšlės judėjimo kryptį.

Visgi tikroji šios istorijos svarba – eilinis priminimas, kad atradus kažką, kas atrodo kaip sensacija, reikia labai atidžiai įvertinti, ar nepamiršome ko nors įvertinti. Juk pirmieji VLBI rezultatai galėjo būti paskelbti kaip „kirvis Einšteino teorijai“, o sensacingos interpretacijos paneigimas ateiti tik vėliau ir, greičiausiai, sulaukti daug mažiau visuomenės susidomėjimo. Mokslininkai dažniausiai apie tokius pavojus žino ir tyrimus atlieka kruopščiai, nors ir tarp mūsų visko pasitaiko. Iš kitos pusės, institucijų viešųjų ryšių skyriai, mokslo žurnalistai ir ypač įvairūs turinio kūrėjai neretai nusitveria skaniai skambančią sensaciją ir ją pagarsina nedaug galvodami apie platesnį kontekstą, net jei jis paminėtas pačiame moksliniame tyrime. Bet tai – jau kita istorija.

Laiqualasse