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遥远宇宙的一隅,谁在超光速飞行?

10-20-2019

神秘的“伽马暴”可能是超光速飞行留下的印记。

图中的绿点标出了10年间的186处“伽马暴”信源。这些信源内可能包含有高速运动的等离子体喷流在星际介质中超越光速时留下的印记。NASA / DOE / Fermi LAT Collaboration

真空光速是宇宙中的速度极限,但是科学家在来自遥远宇宙的伽马射线闪光中发现,似乎有什么东西正在宇宙中以超光速飞行。

这些伽马射线闪光就是所谓的“伽马暴”。它们来自一些极其遥远的星系。科学家相信它们源于大质量恒星的坍缩和中子星合并。这些灾难性的宇宙事件会产生高速飞行的炽热带电等离子物质流。“伽马暴”产生自这些物质流和星际介质冲突的过程中。

南卡罗来纳查尔斯顿学院的天体物理学家Jon Hakkila在很多“伽马暴”的光度曲线中发现了一个奇怪的现象——当这些伽马射线达到峰值时,它们的曲线不是一个单纯的“波峰”,而是在“峰顶”前后带有“颤动”的特征。这样的特征,很像是在高速飞行的等离子体物质被光速超越和超越光速的过程中产生的。

需要明确的一点是,这一发现并没有否认真空光速是宇宙中最快且恒定的速度。被超越的光速,是指那些在星际介质——比如等离子体中的光速。虽然真空光速是恒定的,但在介质中飞行的光速却是可变的。

Hakkila过去几年一直被存在于部分“伽马暴”曲线中峰值前后的一种不明现象困扰着。假如我们放大这部分曲线,我们会发现这些伽马射线在到达峰值前后,分别存在着一段细微的波动。而且这两段波动的曲线是以峰值为中心对称的。也就是说,在“伽马暴”到达峰值之前和之后,发生了两起互为镜像的事件。

一般认为,“伽马暴”是以近光速飞行的等离子体物质流与宇宙空间中的气体相互作用产生的。而根据密歇根理工大学天体物理学家Robert Nemiroff的观点,如果飞行物在介质中飞行时,速度超越了它本身发出的光的速度,也就是处于所谓的“群超光速”运动状态时,在其速度由慢到快逐步超越光速(或相反)的过程中,会产生一种名叫“相对论影像加倍(relativistic image doubling)”的现象。

就像一艘准备靠岸的船,假如船的速度比其激起的涟漪的移动速度慢,那么涟漪就会按照产生的先后次序依次到达岸边;假如船的速度比涟漪快,那么后产生的涟漪就会早于先产生的涟漪到达岸边。

发生在“伽马暴”曲线身上的事情与此相似。如果触发“伽马暴”的天体目标飞行速度比其自身发出的光速还要快,我们就能在曲线中看到出现顺序与发生顺序相反的波动。

假如这个目标的速度先是低于光速,然后再超越光速;亦或是先高于光速,然后降到光速以下,那么我们就会在曲线中同时看到正反两种顺序——一个出现在波峰之前,一个出现在波峰之后。Hakkila认为,在所有带有此类曲线特征的“伽马暴”中,有一半可以用“超光速飞行”加以解释。

但是科学家到目前为止仍然不清楚“伽马暴”在微观尺度上的成因。所以到底是宇宙的一隅有什么东西在超光速飞行,还是其他什么未知的原因给“伽马暴”带上了这种神秘的印记,仍然是个谜。

参考:

Time-reversed Gamma-Ray Burst Light-curve Characteristics as Transitions between Subluminal and Superluminal Motion

https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ab3bdf

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