Když jsem byl dítě, někdy jsem hrál basketbal na školním soudu vedle cihlové zdi. Skákal míč, všiml bych si, že jeho zvuk se opakoval o zlomek vteřiny později od směru zdi. Znělo to trochu jinak, ale byl to zjevně stejný hluk, který míč vydal, když zasáhl blacktop, jen zpožděný oční odkazem.
Objevil jsem ozvěny. Nerdy Kid, že jsem byl, jsem zdůraznil, že zvuk míče cestuje ke zdi, odráží se a pak se ke mně vrátí. Později bych se dozvěděl, že kdybyste věděli rychlost tohoto zvuku (zhruba 1200 kilometrů za hodinu) a délku zpoždění, můžete vypočítat vzdálenost ke zdi.
Příroda to samozřejmě přišla o něco dříve než já; Mnoho druhů zvířat tuto skutečnost používá k zmapování svého okolí pomocí echolokace.
O podpoře vědecké žurnalistiky
Pokud se vám tento článek líbí, zvažte podporu naší oceněné žurnalistiky předplatné. Zakoupením předplatného pomáháte zajistit budoucnost působivých příběhů o objevech a myšlenkách, které dnes formují náš svět.
Astronomové to mohou také udělat, ale nepoužíváme zvukové ozvěny. Používáme světlo ozvěny.
Stejně jako zvuk se světlo pohybuje konečnou rychlostí. Je to velmi rychlé, ale na obrovských stupnicích astronomových studiích je to vlastně docela pomalé. Světlo ozvěny, které vidíme na obloze, může trvat roky nebo dokonce staletí, aby nás oslovily.
Co je lehká ozvěna? Představte si místo skákání basketbalu, je tu hvězda ve vesmíru, která najednou a rychle rozjasňuje, jako Když na konci svého života exploduje masivní hvězda, aby vytvořila supernova. Záblesk světla se rozšiřuje v sféře a závodí mimo místo exploze asi 300 000 kilometrů za druhý. To je miliarda kilometrů za hodinu!
V kterémkoli daném okamžiku bude záblesk světla definovat sférickou skořápku v určité vzdálenosti kolem exploze, jako je tenká stěna bubliny. Například po jedné hodině je světelný skořápka miliarda km z webu. Kdokoli v této vzdálenosti na skořápce uvidí začátek události současně. Pokud jste v té době dále než to, neuvidíte explozi, protože se vám světlo ještě nedosáhlo.
„Echo“ přichází, když upravíme tento idealizovaný scénář tak, aby odpovídal složitosti v reálném světě, jako je pravděpodobnost materiálu obklopujícího zdroj světla. Představme si například, že kolem supernovy je tenká skořápka plynu, která je, řekněme, jeden světelný rok v poloměru a že jsme svědky výbuchu z mnohem dále, jako tisíce světelných let (nejprve bezpečnost; nechtěl by být příliš blízko explodující hvězdě). Supernova vybuchne a uvolní rozšiřující se vlnu světla. Jeden rok po explozi, že světlo zasáhne veškerý plyn v obálkové skořápce současně. Ale náš pohled z dálky znamená Nevidíme celá skořápka plynu najednou.
Místo toho část skořápky, kterou jsme poprvé osvětlili, je její bod nejblíže k nám, přímo na linii s Supernovou. Je to proto, že poté, co se rozsvítila plynná skořápka, mělo světlo z tohoto místa nejmenší vzdálenost, aby se k nám dostala přes vesmír, takže dorazí jako první.
Dále vidíme zjevný prsten světla, který se zdá, že se z tohoto počátečního místa rozšiřuje, když světlo supernovy prochází části plynové skořápky, které jsou o něco dále od nás. Pak jsme svědky překvapivého pohledu: Rozšiřující prsten se zvětšuje a větší, dokud nedosáhne maximální velikosti skořápky, jejího průměru a poté začne Zmenší se. Když se pohybuje přes druhou stranu sférické skořápky z naší linie dohledu, světlo ozvěna postupně osvětluje menší Prsteny, dokud to není tečka, pak poof! Je to pryč.
Dokonce i tento komplikovanější scénář je poněkud nereálný. Pravděpodobněji se supernova vyskytuje uvnitř galaxie naložené četnými rozptýlenými mraky plynu a prachu. Jak se vlna světla rozšiřuje, osvětluje tyto mraky a vytvoří více ozdobených světelných ozvěn, které mohou mít mnoho světelných let.
Geometrie toho, jak funguje světla byl poprvé kvantifikován francouzským astronomem Paulem Couderc v roce 1939—Cothiphing jsem odkazoval na svůj vlastní Ph.D. práce Analýza toho, jak Supernova 1987a rozsvítila svůj okolní plyn. Co Couderc zjistil, že pozorovatel na jedné straně vidí, jak se ozvěna rozšiřuje jako Tenká paraboloidní skořápka– Geometrie ve tvaru náprstku nebo poháru, přičemž pozorovatel se díval dolů do otvoru a zdroj světla vystředěného v jeho vrcholu. V kterémkoli daném okamžiku bude všechno, co leží na tom skořápce, považováno za rozsvícené vzdáleným pozorovatelem.
Mějte však na paměti, že se díváme dolů po osy té skořápky, která má kruhový průřez. To znamená, že materiál, který vidíme, bude na obloze tvořit kruh Bez ohledu na to, jaké je skutečné trojrozměrné rozdělení! Jakékoli prachové mraky na této skořápce se rozsvítí ve stejnou dobu, i když jsou široce odděleny ve vesmíru. To, co vidíme ze Země, je kruh na obloze, který se v průběhu času rozšiřuje – nebo dokonce více kruhů, pokud se plyn rozsvítí a trvá nějakou dobu, než vybledne (obecně, jakmile je plynový mrak zasažen, řekněme, ultrafialové světlo, to znovu světlo při nižších vlnových délkách v průběhu týdnů nebo měsíců).
A tento přesný jev byl vidět! Supernova SN2016Adj explodovala v nedaleké Galaxy Centaurus A a vytvořila rozšiřující se kruhový světl, který byl zachycen Hubbleem (a proměnil se v úžasnou animaci komunitní vědec Judy Schmidt).
https://www.youtube.com/watch?v=nwuvxtiu0is
Kromě toho, že je to prostě skvělý efekt, Tyto lehké ozvěny nám mohou vyprávět o životním prostředí kolem supernovy;; Masivní hvězdy explodují mladé, než se mohou přesunout z oblaku plynu a prachu, kde se narodily. Světlo se ozývá tento materiál a dává nám vhled do jeho podmínek a dokonce trojrozměrná struktura Když se hvězda formovala.
To bylo prokázáno směšně dramatickým způsobem, když hvězda V838 Monocerotis podstoupila obrovský výbuch, který byl vidět v roce 2002. Hubbleové obrázky pořízené v průběhu času ukázaly prach kolem něj a rychle se měniliAle to byla iluze: byla to Světlo Echo Rozšiřuje se skrz stacionární prach a osvětluje jiný materiál, když se prohnal. Animace toho je stejně bizarní a neobvyklá jako cokoli, co jsem kdy viděl.
https://www.youtube.com/watch?v=fpwrogf5bpk
Pamatujte, že tento materiál se fyzicky nerozšiřuje! Je to jen rozsvíceno zábleskem světla z výbuchu. Vědci analyzující tato data dospěli k poněkud překvapivému závěru, že Událost V838 Monocerotis byl způsoben dvěma hvězdami srážkou a sloučením, a vystřelil prudký puls světla, který osvětlil okolní materiál. K určení vzdálenosti V838 od nás bylo použito pečlivé měření rozšiřující se světelné ozvěny, asi 20 000 světelných let.
Světelné ozvěny jsou zvláštní jevy, které se zpočátku zdají nic jiného než zvědavost – dokud se nezačnete dívat do matematiky a fyziky, a pak se stanou důležitým nástrojem pro zkoumání prostoru. Jsem fascinován, jak nám příroda rozdává tyto dary, které nám pomáhají prozkoumat vesmír kolem nás, a osvobodit data, která můžeme prozkoumat, abychom lépe porozuměli vesmíru, ve kterém žijeme – a zároveň krmí náš smysl pro zázrak a úctu.
Děkuji astronomovi Kirsten Banks za připomenutí o SN2016ADJ.
Je čas postavit se za vědu
Než stránku zavřete, musíme požádat o vaši podporu. Vědecký Američan sloužil jako obhájce vědy a průmyslu po dobu 180 let a myslíme si, že právě teď je nejkritičtějším okamžikem v této historii dvou století.
Nežádáme o charitu. Pokud stát se digitálním, tiskem nebo neomezeným předplatitelem Pro Scientific American můžete pomoci zajistit, aby naše pokrytí bylo soustředěno na smysluplný výzkum a objev; že máme zdroje na podávání zpráv o rozhodnutích, která ohrožují laboratoře po celé USA; a že podporujeme jak budoucí, tak pracující vědci v době, kdy se hodnota samotné vědy často nerozpoznala. Kliknutím sem se přihlásíte k odběru.
