ارسال دیدگاه
امروز: جمعه , ۱۱ مهر , ۱۴۰۴
X
بیایید یک آزمایش ذهنی را تصور کنیم: پرتو قدرتمند یک لیزر را به سمت ماه نشانه‌گیری کنیم، نوری که خلأ فضا را می‌شکافد تا سرانجام بر سطح خاکستری و غبارآلود آن فرود آید. حال اگر لیزر را کمی بچرخانیم و نور روی سطح ماه از یک سمت آن به سمت دیگر بلغزد، به نظر می‌رسد این حرکت در یک چشم‌برهم‌زدن رخ می‌دهد؛ گویی هزاران کیلومتر را در یک لحظه طی می‌کند و حتی از سرعت نور در خلأ فراتر می‌رود. اما این چگونه ممکن است؟
هیچ لیزری آن‌قدر توانمند نیست که بتواند چنین نمایشی واقعی ایجاد کند. و حتی اگر چنین ابزاری وجود می‌داشت، جای نگرانی نبود، زیرا هیچ قانونی از فیزیک که حرکت سریع‌تر از نور را ممنوع می‌داند، نقض نمی‌شد. این تنها یک خطای دید است. با این حال، در جهان پدیده‌هایی واقعی وجود دارند که توهماتی مشابه پدید می‌آورند. به گفته رابرت نمیروف، اخترفیزیک‌دان دانشگاه فناوری میشیگان «اما سایه‌ها، لکه‌های نور لیزر و جبهه‌های روشنایی می‌توانند، و در حقیقت مدام در اطراف ما با سرعتی بیش از نور حرکت می‌کنند.»
اخترشناسان مدت‌هاست این توهمات فرانوری (Superluminal) را مشاهده کرده‌اند، پدیده‌هایی که روزگاری تنها شگفتی‌های بی‌اهمیتی شمرده می‌شدند. اما اکنون درمی‌یابیم برخی از آن‌ها می‌توانند جزئیات نهفته و شگفت‌آوری از کیهان را آشکار کنند که هیچ مشاهده دیگری قادر به نمایان ساختن آن‌ها نیست. نمیروف حتی نوعی توهم تازه پیشنهاد داده است؛ پژواک‌های نورانی که ظاهراً در زمان به عقب بازمی‌گردند و شاید بتوانند درون‌مایه اسرارآمیزترین رخدادهای کیهان را برملا سازند. با شروع فعالیت رصدخانه ورا سی. روبین، شاید در آستانه مشاهده این توهمات زودگذر قرار گرفته باشیم.
پژواک‌های نوری
دهه‌هاست اخترشناسان نمونه‌های فراوانی از حرکت‌های فرانوری ظاهری را به ثبت رسانده‌اند. نخستین نمونه در سال ۱۹۰۱ رخ داد، هنگامی که توماس اندرسون، ستاره‌شناس آماتور و کشیشی اهل ادینبرو در بریتانیا، نقطه‌ای درخشان را در صورت فلکی برساووش مشاهده کرد که نورش از بیشتر ستارگان دیگر فراتر می‌رفت. ستاره‌شناسان بسیاری از جمله پژوهشگران رصدخانه گرینویچ لندن به سرعت به بررسی آن پرداختند و با انفجاری مواجه شدند که لایه‌های نورانی آن گویی تا ۵ برابر تندتر از نور گسترش می‌یافت.
این رویداد که بعدها نوا برساووش ۱۹۰۱ نام گرفت، در اثر انفجار گرماهسته‌ای موسوم به نوا بر سطح یک ستاره مرده، یعنی کوتوله سفید، پدید آمده بود. در آغاز، این رفتار ظاهراً فرانوری موجب شگفتی دانشمندان شد، اما در سال ۱۹۳۹، اخترشناس فرانسوی پل کودرک توضیح داد که علت آن پژواک نوری است.
با گسترش نور انفجار به اطراف، پرتوها بر ابرهای غبار با زاویه‌های گوناگون برخورد می‌کردند. برخی بخش‌ها سریع‌تر از دیگر نواحی روشن می‌شدند، نه به دلیل حرکت سریع‌تر نور، بلکه به علت زاویه و موقعیت‌شان نسبت به زمین و نوا. حاصل آن، قوس‌های درخشانی بودند که به نظر می‌رسید حتی از نور نیز پیشی می‌گیرند.
این تنها نمونه از چنین توهمی نبود. حرکت فرانوری امروزه برای مطالعه جت‌های کیهانی به کار گرفته می‌شود؛ جریانی از ذرات باردار که از سیاه‌چاله‌های فعال، ادغام ستارگان نوترونی و سامانه‌های شگفت‌انگیز دیگر بیرون رانده می‌شوند. این جت‌ها غالباً با سرعتی نزدیک به نور حرکت می‌کنند و هنگامی که غبار پیرامون را روشن می‌سازند، پدیده‌هایی با جلوه سریع‌تر از نور پدید می‌آورند که بسته به زاویه دید ما ایجاد می‌شوند.
این را می‌توان با بازی کودکی که با دستانش جلوی چراغ‌قوه نقش حیوانات می‌سازد درک کرد. وقتی دست را کمی نزدیک‌تر به منبع نور ببرید، سایه‌ها با جهشی تندتر بر دیوار حرکت می‌کنند. همین اصل در فضا رخ می‌دهد، جایی که منابع نوری دوردست و ابرهای غبار همانند چراغ و پرده نمایش عمل می‌کنند.
تنها در سال گذشته، جت فرانوری کهکشان قنطورس A در فاصله حدود ۱۲ میلیون سال نوری از زمین برای آشکارسازی ساختار نهفته آن به کار رفت. دیوید بوگنسبرگر، اخترفیزیک‌دان دانشگاه میشیگان، گره درخشانی را در این جت دنبال کرد که رفتاری غیرعادی داشت. در امواج رادیویی، حرکت آن معادل ۸۰ درصد سرعت نور به نظر می‌رسید، اما در پرتو ایکس، همان بخش گویی با سرعتی برابر ۲.۷ برابر نور پیش می‌رفت.
بوگنسبرگر می‌گوید: «این نشان می‌دهد داده‌های رادیویی و پرتو ایکس تصویری کاملاً متفاوت از یکدیگر ارائه می‌دهند، که کشفی بسیار تازه است. در واقع ما دو جمعیت متفاوت از پلاسمای درون جت‌ها را مشاهده می‌کنیم که با ویژگی‌ها و سرعت‌های گوناگون حرکت می‌کنند.» این تمایز، به گفته او، می‌تواند درک ما را از چگونگی شکل‌گیری جت‌ها، ترکیب آن‌ها و مسیر تحول‌شان هنگام شکافتن فضا دقیق‌تر کند.
مت نیکول، اخترفیزیک‌دان دانشگاه کویینز بلفاست بریتانیا، توضیح می‌دهد که می‌توان از حرکت فرانوری برای تعیین زاویه برخورد این پرتوهای باریک به زمین نیز بهره برد، امری که به روش‌های دیگر چندان ممکن نیست. نیکول می‌گوید: «اگر انرژی یک جت که مستقیم به سوی شما می‌آید را با جتی که اندکی زاویه دارد مقایسه کنید، شاید پاسخ‌هایی بسیار متفاوت به دست آورید.»
این اطلاعات می‌تواند جزئیات حیاتی درباره میزان انرژی نهفته در جت‌ها به دست دهد. نیکول می‌گوید: «چنین دانشی به ما می‌گوید ستارگان نوترونی تا چه اندازه پایدار هستند و فشار در مرکز آن‌ها چه مقداری دارد. این موضوع اساس فیزیک هسته‌ای است که در زمین توان اندازه‌گیری مستقیم آن را نداریم.»
با این حال، همان‌طور که می‌توان انتظار داشت، شناسایی این سیگنال‌های سریع و گذرا کار دشواری است. به گفته بوگنسبرگر، اخترشناسان اجرامی را مشاهده کرده‌اند که به نظر می‌رسد با سرعتی حدود ۱۰ برابر نور حرکت می‌کنند و در موارد نادر این سرعت ظاهری می‌تواند به ۵۰ برابر سرعت نور برسد. بیشتر تلسکوپ‌ها به ندرت بار دیگر به همان بخش از آسمان بازمی‌گردند و همین امر باعث می‌شود اثرات زودگذر به‌راحتی از دست بروند. اما با گسترش حوزه‌ای موسوم به اخترشناسی با کادانس بالا، که بر اسکن مداوم و لحظه‌ای آسمان متکی بوده، این وضعیت در حال تغییر است.
دوگانگی تصویر
دانشمندانی همچون نمیروف و جان هکیلا از دانشگاه آلاباما در هانتسویل امیدوارند داده‌های تازه بتواند نظریه‌ای را که نخستین بار در سال ۲۰۱۹ مطرح کردند تقویت کند؛ نظریه‌ای که تلاشی است برای توضیح یکی از مبهم‌ترین پدیده‌ها در اخترفیزیک به نام فوران‌های پرتوهای گاما. این انفجارها در واقع درخشش‌های ناگهانی و فوق‌العاده پرانرژی هستند که تصور می‌شود منشأ آن‌ها مرگ ستارگان پرجرم یا ادغام ستاره‌های نوترونی باشد. با این حال جزئیات مربوط به سازوکار شکل‌گیری و رفتار آن‌ها همچنان ناشناخته باقی مانده است.
یکی از معماهای ماندگار در این زمینه به منحنی‌های نوری فوران‌ها بازمی‌گردد؛ نمودارهایی که شدت درخشندگی آن‌ها را در طول زمان ثبت می‌کنند. به جای آن‌که این منحنی‌ها به شکلی نرم و پیوسته اوج بگیرند و سپس فروکش کنند، غالباً الگویی موج‌مانند با حداقل سه قله مجزا در مرحله صعود، نقطه اوج و مرحله نزول پالس اصلی نشان می‌دهند. برخی از این پالس‌ها حتی شامل ده‌ها قله هستند. عجیب‌تر آن‌که قله نخست و آخر اغلب نوعی انعکاس یکدیگرند، به گونه‌ای که گویی انفجار ابتدا گشوده و سپس در جهت معکوس بازپخش می‌شود.
فیزیک‌دانان پیش‌تر توضیحاتی همچون بازتاب فوران‌های پرتو گاما از موانع کیهانی یا برهم‌کنش‌های پیچیده با آمیخته‌هایی از پلاسما، تابش و میدان‌های مغناطیسی ارائه داده بودند. اما این فرضیه‌ها غالباً تصنعی به نظر می‌رسیدند و هیچ‌کدام قادر نبودند دلیل رایج بودن ساختار پژواک‌گونه را روشن کنند.
هکیلا با الهام از پژوهش‌های پیشین نمیروف به ایده‌ای تازه دست یافت. نمیروف نشان داده بود که تحت شرایط خاص، موج یا ذره‌ای که درون یک محیط با سرعتی ظاهراً فراتر از نور حرکت می‌کند، می‌تواند اثری ایجاد کند که او آن را «دوگانگی نسبیتی تصویر» نامید. برای ناظر چنین وضعیتی می‌تواند مانند مشاهده دو نسخه از یک رویداد جلوه کند: یکی در زمان عادی و دیگری به صورت معکوس.
هکیلا این مفهوم را بسط داد و مدلی جدید ارائه کرد. در این الگو، موجی درون جت فوران پرتو گاما از سرعت کمتر از نور به سرعت فراتر از نور شتاب می‌گیرد. در این گذار، موج در میان پلاسما حرکت کرده و باعث آزاد شدن تابشی شدید می‌شود. از آن‌جا که برای لحظه‌ای سریع‌تر از نور در آن محیط حرکت می‌کند، نوری که ساطع می‌کند به شکلی غیرمعمول به ناظر می‌رسد: ابتدا به صورت سیگنال عادی و سپس بار دیگر در جهت معکوس. نتیجه، بر اثر دوگانگی نسبیتی تصویر، منحنی نوری است که حالتی پژواک‌گونه پیدا می‌کند: اوج می‌گیرد، فرو می‌نشیند و سپس دوباره اوج می‌گیرد.
هکیلا توضیح می‌دهد: «این درست مانند آن است که کسی وارد اتاق شود، همه چراغ‌ها را روشن کند و وقتی می‌خواهد خارج شود، آن‌ها را دقیقاً به همان ترتیب معکوس خاموش کند.» او در مقاله‌ای که در سال ۲۰۲۱ منتشر شد نشان داد این پدیده می‌تواند حداقل ۸۵ درصد فوران‌های پرتو گاما را توضیح دهد. در سال ۲۰۲۳ پژوهشگران دونگ-جی لیو و یوان-چوان زو از دانشگاه علم و فناوری هوازونگ در ووهان چین همان تحلیل را با داده‌های جدید تکرار کردند. یافته‌های آنان نه تنها این ایده را تأیید کرد بلکه نشان داد این سیگنال‌های انعکاسی قادرند اطلاعاتی درباره سرعت حرکت موج‌های ضربه‌ای درون پلاسما یا چگونگی برهم‌کنش آن‌ها با توده‌های متراکم در مسیر ارائه دهند. از دید لیو و زو، این نوسانات به هیچ وجه نویز مشاهداتی نیستند، بلکه نشانه‌های ظریفی از سازوکار شکل‌گیری و انفجار فوران‌های پرتو گاما محسوب می‌شوند.
نمیروف نیز بر این باور است که این ایده دامنه‌ای بسیار فراتر دارد. او احتمال می‌دهد رویدادهای ناشی از دوگانگی نسبیتی تصویر در سراسر کیهان رخ دهند. یکی از نامزدهای محتمل، ستاره‌های نوترونی چرخان سریع موسوم به تپ‌اخترها هستند. این اجرام معمولاً دارای لکه‌هایی بسیار داغ بر سطح خود هستند که با قطب‌های مغناطیسی‌شان پیوند دارند. اگر تپ‌اختری توسط قرصی از غبار احاطه شده باشد، یکی از این لکه‌ها هنگام چرخش می‌تواند بر روی قرص بازتاب یابد. در شرایطی خاص، پرتو پراکنده‌شده ممکن است پیش از نوری که مستقیماً از خود لکه می‌آید به ناظر برسد و توهمی از وجود دو لکه یکسان در حال حرکت در جهات مخالف ایجاد کند.
نمیروف می‌گوید: «آنچه مشاهده می‌کنید جفتی از لکه‌هاست که از هم فاصله می‌گیرند؛ یکی اساساً در زمان عادی حرکت می‌کند و دیگری در زمان معکوس.» اکنون با آغاز جمع‌آوری داده‌ها از رصدخانه ورا سی. روبین که کل آسمان جنوبی را هر ۳ یا ۴ شب یک بار اسکن می‌کند، او معتقد است فرصتی واقعی برای شناسایی جفت‌های تصویری فراتر از نور فراهم شده است. او گفت: «روبین ابزاری بسیار توانمند برای دیدن چنین پدیده‌هایی است.»
نمیروف احتمالاً باید کمی صبر کند. بنا بر گفته تسا بیکر، کیهان‌شناس دانشگاه پورتسموث در بریتانیا، داده‌های روبین فوراً برای جستجوهای پیچیده و تخصصی فیزیکی مانند این مورد استفاده نخواهند شد، زیرا تمرکز اولیه این پروژه بر مطالعات علمی مرسوم‌تر مانند شناسایی کهکشان‌ها، سیارک‌ها و ابرنواخترها خواهد بود. با این حال، روبین می‌تواند همراه با آشکارسازهایی مانند LIGO برای یافتن پدیده‌ای فرانوری دیگر نیز به کار گرفته شود: امواج گرانشی که سریع‌تر از نور حرکت می‌کنند.
این کشف می‌تواند انقلابی باشد. اخترشناسان تاکنون مشاهده کرده‌اند که امواج گرانشی و نور همان محدودیت سرعت را دارند که توسط نظریه نسبیت اینشتین پیش‌بینی شده است. با این حال، در برخی مدل‌های پیشنهادی برای توضیح انرژی تاریک، ممکن است جهان دارای میدان‌های اضافی باشد که نحوه انتشار امواج گرانشی و نور را تغییر دهند. در این حالت، نور به محدودیت سرعت فعلی خود پایبند خواهد ماند، اما امواج گرانشی می‌توانند با این میدان‌ها تعامل داشته باشند و سریع‌تر حرکت کنند. این به معنای آن است که امواج ناشی از رویدادهای گرانشی احتمالا پیش از رسیدن فوتون‌ها به ما برسند و توسط روبین شناسایی شوند، و این امر می‌تواند از نظریه‌های جایگزین گرانش حمایت کند، همان‌طور که بیکر اشاره کرده است.
اگر شروع به مشاهده توهمات فرانوری به صورت منظم کنیم، دانشمندان می‌توانند بیشترین داده‌های پژوهشی را از آن‌ها استخراج کنند. برای این منظور، برخی از پژوهشگران شروع به آزمایش این اثرات در آزمایشگاه کرده‌اند. فیزیکدان نظری سایمون هورسلی از دانشگاه اکستر بریتانیا و همکارانش مواد مختلفی مانند اکسید قلع ایندیوم را که خواص قابل تنظیم دارند، آزمایش کرده‌اند و پرتوهای لیزر را روی آن‌ها در شرایطی مشابه آزمایش لیزر ماه حرکت داده‌اند. از نظر تئوری، هیچ اطلاعاتی نباید سریع‌تر از نور روی سطح ماده حرکت کند، اما آیا واقعاً چنین است؟
هورسلی و تیمش دریافتند که ضریب شکست (معیاری برای میزان انحراف نور در ماده) به گونه‌ای به حرکت لیزر پاسخ می‌دهد که به نظر می‌رسد سریع‌تر از نور است. شما یک لکه دارید که روی ماده با سرعت زیاد حرکت می‌کند. در نتیجه، بازتابی ایجاد می‌شود که گویی از جسمی سریع‌تر از نور آمده است.
این پدیده بر پایه تغییر دوپلر استوار است، همان اصل که باعث کاهش فرکانس آژیر آمبولانس هنگام عبور آن می‌شود. هورسلی می‌گوید «می‌توانید این اثر را تا سرعت‌های فراتر از نور نیز تعمیم دهید» و در نتیجه زاویه نور بازتابیده هنگام عبور از آستانه سرعت نور به صورت مشهود تغییر می‌کند.
این موضوع اهمیت دارد زیرا تغییرات دوپلر یکی از ابزارهای اصلی اخترشناسی برای استنتاج حرکت اجرام است. اگر توهمات فرانوری بتوانند این تغییرات را به شکل قابل پیش‌بینی تغییر دهند، کارهای آزمایشگاهی مانند کار هورسلی می‌تواند به ما کمک کند تا آنچه در آسمان مشاهده می‌کنیم را دقیق‌تر تفسیر کنیم و در واقع انتظارات ما را با اثرات نوری شناخته‌شده هم‌تراز کند.
ماده‌ای که هورسلی با آن کار می‌کند می‌تواند برای آزمایش دیگر اثرات فرانوری که هنوز کشف نشده‌اند نیز استفاده شود. او می‌گوید «ما تلاش کرده‌ایم ببینیم آیا فیزیک عجیب و غریبی وجود دارد که بتوانیم با این روش بررسی کنیم، زیرا واقعاً چیزی سریع‌تر از نور حرکت نمی‌کند، اما رفتار آن مانند جسمی است که سریع‌تر از نور حرکت می‌کند.» آزمایش‌های دیگری نیز اثرات حرکت فرانوری را مورد بررسی قرار داده‌اند. اوایل امسال، دومینیک هورنف، فیزیکدان دانشگاه فناوری وین در اتریش، و همکارانش با استفاده از پالس‌های لیزری جسمی را شبیه‌سازی کردند که نزدیک به سرعت نور حرکت می‌کند. آن‌ها دریافتند که وقتی جسم در میدان دید ما حرکت می‌کند، گویی می‌چرخد و نور از جلوی آن زودتر از نور از پشتش می‌رسد.
تیم هورنف همچنین نشان داد که اگر جسم کمی جهت خود را به سمت یا دور از ما تغییر دهد، مانند جتی که از برخورد سیاه‌چاله یا ستاره نوترونی خارج می‌شود، نه تنها می‌چرخد، بلکه ناگهان به نظر می‌رسد محدودیت سرعت نور را نقض می‌کند. هورنف می‌گوید «اگر خط دید را ۲.۵ درجه تغییر دهیم، شاهد حرکتی فرانوری معادل ۲۲ برابر سرعت نور خواهیم بود. این کاملاً دیوانه‌کننده است.»
این شبیه‌سازی‌های زمینی می‌توانند بستری برای آزمایش فیزیک پشت توهمات فرانوری فراهم کنند و به اخترشناسان کمک کنند تا سیگنال‌هایی را که احتمالاً به زودی از داده‌های رابیـن دریافت می‌کنند، دقیق‌تر تحلیل کنند.
و ممکن است هنوز توهمات فرانوری زیادی برای کشف وجود داشته باشد، از جمله تصاویر دوتایی نمیروف، اگر همان‌طور که انتظار می‌رود رخ دهند. نمیروف می‌گوید «این از نظر مفهومی فوق‌العاده است. ما با تعداد زیادی شگفتی کوچک روبه‌رو می‌شویم.» او پیش‌بینی می‌کند که ممکن است مشابه حالتی باشد که عدسی گرانشی، مفهوم خم شدن و اعوجاج نور توسط اجرام سنگین، ابتدا یک ایده خاص بود و بعداً به وفور مشاهده شد. او می‌گوید «اکنون صدها رویداد عدسی گرانشی در حال بررسی است.» شاید همین اتفاق برای رویدادهای فرانوری، شبیه لیزر روی ماه، رخ دهد.
دانلود آهنگ
طراحی و اجرا :
وین تم
هر گونه کپی برداری از طرح قالب یا مطالب پیگرد قانونی خواهد داشت ، کلیه حقوق این وب سایت متعلق به وب سایت تک فان است
دیدگاهتان را بنویسید