超光速爆炸如何揭示宇宙的秘密

这里有一个为您想象的思想实验：想象一下，将一个强大的激光照射到月球上，光束穿越太空，直到落在灰蒙蒙的月球表面。现在将激光调整，使光点从一个月球的一侧划过至另一侧。似乎在瞬间跨越了成千上万的公里，甚至比真空中的光速更快。

这是如何可能的？

并没有足够强大的激光笔能够制造这样的幻觉。即使有，不要惊慌：没有什么会违反排除比光速更快移动的物理定律。这只是一个视觉错觉。确实，宇宙中存在着创造类似错觉的真实现象。密歇根理工大学的天体物理学家Robert Nemiroff表示：“物质无法从光速以下加速到光速以上，但周围的阴影、激光点和光照边界却可以，而且确实四处欺骗人们，比光速更快地移动。”

长期以来，天文学家一直观察到这些超光速错觉现象，曾一度对其不屑一顾。但我们现在意识到，其中一些可以揭示有关宇宙的隐藏、令人惊讶的细节，而其他任何观测都不能做到。Nemiroff甚至提出了一种新型错觉的想法——光回声似乎在时间上倒转——这可能揭示出宇宙中一些最神秘现象的内在工作原理。随着维拉C·鲁宾天文台的开放，我们可能即将在更频繁地看到这些短暂幻觉。

光回声

几十年来，天文学家观察到了许多超光速运动的例子。第一个例子出现在1901年，当时，位于英国爱丁堡的业余天文学家兼牧师Thomas Anderson注意到了仙女座中的一颗新的亮点，比大多数其他星星都闪亮。天文学家匆忙进行观测，包括伦敦格林尼治天文台的天文学家们，他们惊讶地看到一个爆炸，其发光的外层似乎比光速快五倍扩展。

这一事件后来被称为1901年的新星仙女座，导致这一事件的是一种在死亡恒星、白矮星表面上发生的热核爆炸，即新星。起初，它明显的超光速行为使天文学家感到困惑，但1939年，法国天文学家Paul Couderc解释说这是一种光回声。

随着爆炸的光向外辐射，它以不同角度击中尘埃云。一些区域比其他区域更快地发光，这并不是因为光传播更快，而是因为它们相对于地球和新星的方向错位。结果是一种错觉：明亮的光弧看起来似乎超越了导致它们的光。

这并不是唯一被发现的错觉。明显的超光速运动用于研究强大的宇宙射流、从活跃的黑洞射出的带电粒子流、合并的中子星和其他异国情调系统。这些射流经常接近光速，在照亮周围尘埃时，它们可能会产生依赖于我们如何观察它们的相对较快效果。

这种现象就像一个在手电筒面前用手模仿动物的孩子可能理解的。稍微向光源靠近手，阴影会在墙上跃动。同样的原理也适用于宇宙空间，远处的光源和尘埃云充当了灯和屏幕的作用。

就在去年，位于地球大约1200万光年外被称为半人马座A的一个星系的超光速射流被用来揭示其隐藏的结构。密歇根大学的天体物理学家David Bogensberger跟踪了射流中的一个明亮节点，其行为很古怪。在无线电波中，它似乎以光速的80%移动，但在X射线中，同一特点似乎领先，以超过光速的2.7倍移动。

“这告诉我们，无线电和X射线数据显示出完全不同的情况，这是一个相当新的发现，”Bogensberger说道。“人们越来越一致地认为，实际上我们看到了射流内的两种不同的等离子体，它们运动方式不同，具有不同的性质。”

他表示，这种区分可能有助于细化我们对射流形成、组成以及它们在太空中穿行时如何演变的理解。

您也可以利用超光速运动计算这些窄束是如何击中地球的角度，英国贝尔法斯特女王大学的天体物理学家Matt Nicholl说，这在其它方法中并不容易。“如果您测量一个正朝您的射流的能量与稍稍倾斜的射流的能量，您可能会得到非常不同的答案，”Nicholl说。

这可以为天文学家提供有关射流中有多少能量的重要信息。“这告诉您中子星的稳定程度以及中心的压力，”Nicholl说。“这是地球上我们无法测量的基本核物理。”

但是，如您所料，抓住这些高速运动信号是困难的。根据Bogensberger的说法，天文学家观测到的对象似乎以大约光速的10倍移动，但在罕见情况下，它们似乎可以达到50倍的光速。大多数望远镜很少重复观测相同的天空区域，使得很容易错过这些瞬时效应。但是随着高速度天文学的兴起，实时地、重复地扫描天空，情况开始发生变化。

图像双重

像Robert Nemiroff和位于亚拉巴马州汉茨维尔的亚拉巴马大学的Jon Hakkila这样的科学家希望利用这些新数据加强他们在2019年提出的理论，从而解释天体物理学中最令人困惑的现象之一：伽玛射线暴（GRBs）。这些是突然出现的、明亮的高能光闪光，被认为来自暴力星死亡或中子星合并。但有关它们形成的细节以及它们为何表现出这种行为依然固执地不被理解。

一个长期存在的谜题在于它们的光曲线：跟踪爆发持续时间内爆发亮度变化的图表。GRB的光曲线通常表现出一种类似涟漪般的结构，主脉冲的上升、高峰和下降期间至少出现三个不同的峰值。有些脉冲包含数十个这样的峰值。更奇怪的是，第一个和最后一个峰常常似乎镜像对称，就好像爆发在展开然后倒转。

Hakkila表示：“GRB的光曲线毫不站得住脚。”

物理学家提出了各种解释，从GRB反射到宇宙屏障，到与聚集的等离子体、辐射和磁场的复杂相互作用。但这些理论往往看起来有点牵强，没有解释为什么这种奇怪的类似回声的结构如此普遍。

Hakkila在Nemiroff先前的工作中找到了灵感。这项工作表明，在某些条件下，一个通过介质表现得比真空中的光速更快的波或粒子可能会引发他称之为“相对论图像双倍”的效应。对于观察者来说，看起来像是同一个事件的两个版本：一个正常展开，另一个倒转。

Hakkila将这个概念进一步推广。在他的新模型中，一个在GRB射流中的波或“撞击器”从亚光速加速到超光速。在这个过渡过程中，波通过等离子体，并触发辐射爆发。因为它短暂地以高于介质中光速传播的速度移动，它发出的光以一种奇怪的顺序到达观察者：首先是一个正常信号，然后再次是倒放。由于相对论图像双倍，结果是，光曲线看起来似乎在回声：闪烁、消退，然后再次闪烁。

“就像有人走进房间，打开所有灯，然后当他们走出房间时，他们记得按照完全相反的顺序关掉所有灯，”Hakkila说道。他发现这种效应可能会解释至少85%的GRBs，在他于2021年发表的一篇论文所述。在2023年，位于中国武汉华中科技大学的刘东杰和邹元传的研究人员重复采用了相同的分析方法。他们的研究结果不仅支持了这一想法，而