Hvad er lysekkoer? Brug af lysreflektioner til at se endnu længere tilbage i tiden

Når vi ser ud i rummet, vi kigger tilbage i tiden. Det er fordi lys bevæger sig med lysets hastighed. Det tager tid for lyset at nå os.

Men det bliver endnu mærkeligere end som så. Lys kan absorberes, reflekteret, og genudsendes af gas og støv, giver os et nyt kig.

De kaldes lysekkoer, og de tillader astronomer en anden måde at forstå universet omkring os.

Vi er alle bekendt med ideen om et ekko. Lyden går gennem luften, reflekterer fra en fjern genstand og vender tilbage. Du hører den originale lyd, og så den reflekterede lyd. Og ud fra den refleksion, du kan lære om den reflekterende overflade. Er det tæt på eller langt? Hvad er det lavet af?

Det skyldes, at lyden bevæger sig med en hastighed på cirka 343 meter i sekundet. Lys, på den anden side, bevæger sig med en hastighed på næsten 300, 000 km/s – for hurtigt til, at dine øjne kan se reflektionen, men ude i rummet, hvor objekter kan være mange lysår på tværs, astronomer kan se lyskugler bevæge sig gennem skyer af gas og støv som ekkoer af kraftige udbrud og supernovaer.

Det bedste eksempel på et lysekko er radar, bruges til at afvise radiosignaler fra objekter for at kortlægge dem. En radar består af en sender til at sende signalerne, og en modtager til at fange dem igen.

Da du ved, hvor hurtigt lyset bevæger sig, du kan registrere din radiopuls, der hopper af genstande og bruge den til at finde ud af, hvor langt væk alting er fra dig.

Her på jorden, radar bruges til båd- og flynavigation, samt vejrsporing.

Men astronomer bruger radar til at finde afstande til planeter og kortlægge asteroiders overflader. For eksempel, da asteroiden 3200 Phaethon nærmede sig Jorden i december 2017, Arecibo radioobservatorium samlede billeder af dens overflade.

Radiobølger er den perfekte form for elektromagnetisk stråling til at detektere refleksioner. Når lyset preller af et fjerntliggende objekt, det er allerede meget svagt, og det bliver svagere, når det vender tilbage.

Men lasere er også blevet brugt til at måle afstanden til månen. Da astronauterne landede på månen under Apollo-missionerne, de placerede specielle retroreflektorer på overfladen. Forskere på Jorden kan skyde en kraftig laser mod reflektorerne og registrere det reflekterede lys, når det vender tilbage. Endnu engang, ved at kende lysets hastighed, de kan beregne afstanden til månen ved at se, hvor lang tid det tager for det reflekterede laserlys at vende tilbage til Jorden.

Men for virkelig at drage fordel af reflekteret lys, du skal gå meget meget lysere. Synes godt om, energiproduktionen fra en nydannet stjerne, en eksploderende stjerne, eller et aktivt nærende supermassivt sort hul.

Naturen frigiver hele tiden elektromagnetisk stråling i form af synligt lys, infrarød stråling og radiobølger. Og astronomer har fundet ud af måder at se det reflekterede lys for at gøre opdagelser om universet.

Et billede, som du måske kender, er stjernen V838 Monocerotis, ligger omkring 20, 000 lysår væk. Astronomer forsøger stadig at finde ud af hvorfor, men af ​​en eller anden grund i 2002, den røde superkæmpestjernes ydre lag udvidede sig kraftigt, hvilket gør den til den klareste stjerne i hele Mælkevejen - overstråler solen med en faktor på 600, 000. Det var som en blitzpære, der pludselig gik i gang i et mørkt rum.

Det var ikke en nova, hvori materiale hober sig op på overfladen af ​​en hvid dværg. Og det var ikke en supernova, hvor en massiv stjerne detonerer i slutningen af ​​sin levetid. Det var noget andet.

Så hurtigt som V838 blev lysere, det forsvandt. Men eftervirkningen af ​​denne flash har været synlig i næsten to årtier efter begivenheden.

Se denne animation, består af separate observationer af V838 over flere år. Dette er ikke en eksplosion, det er lyset, der bevæger sig i en kugle gennem den interstellare gas og støv, der omgiver stjernen. Når det passerer gennem støv, det bliver spredt og tager en længere rejse for at nå frem til Jorden.

Dette lysekko gjorde det muligt for astronomer at studere støvets natur, som kunne være blevet smidt af stjernen for længe siden, men var ikke synlig for astronomer uden denne lommelygte leveret af stjernen.

Astronomer har brugt lysekkoer til at studere dannelsen af ​​planeter omkring en ung stjerne. NASAs Spitzer-rumteleskop og fire jordbaserede observatorier blev brugt til at måle størrelsen af ​​hullet omkring en nydannet stjerne til dens protoplanetariske skive.

Stjernen hedder YLW 16B, og det er placeret omkring 400 lysår fra Jorden. Det er omtrent den samme masse som solen, men den er kun 1 million år gammel – bare en baby.

Selv i disse magtfulde observatorier, det protoplanetariske mellemrum er for lille til at kunne måles direkte. I stedet, de brugte lysekkoer for at nå størrelsen.

Unge stjerner varierer i lysstyrke, ændre mængden af ​​lys, de udsender fra dag til dag. Materiale hvirvler ud af den protoplanetariske skive, bliver fanget af stjernens magnetfeltlinjer, og falder så ned på stjernen, tænder den op.

Når stjernen ændrer sig i lysstyrke, noget af det ekstra lys rammer planetskiven, skabe et ekko, som astronomer kan registrere. Da de ved, hvor hurtigt lyset går, de kan beregne, hvor lang tid det tager for lysstyrken at nå disken, og hvor stor forskellen er.

Lyset tager 74 sekunder at nå hullet, hvilket betyder, at det er 0,08 astronomiske enheder, eller 12 millioner kilometer væk fra stjernen. Bare til sammenligning, afstanden fra solen til Merkur er omkring 60 millioner kilometer.

For nylig, astronomer brugte lysekkoer til at studere miljøet omkring et sort hul med stjernemasse. De brugte Neutron Star Interior Composition Explorer (eller NICER) nyttelast på den internationale rumstation. Dette instrument var i stand til at detektere røntgenstrålingen fra et nyopdaget sort hul kaldet J1820, som nærede sig en ledsagerstjerne.

Det sorte hul er placeret omkring 10, 000 lysår væk i stjernebilledet Løven, og det blev først opdaget af Den Europæiske Rumorganisations Gaia-mission.

Den 11. marts 2018, det sorte hul blussede pludselig op, bliver et af de lyseste objekter på røntgenhimlen. Selvfølgelig, det var ikke selve det sorte hul, der blussede op, det var tilvækstskiven, der omgiver det sorte hul, sammensat af materiale stjålet fra dens ledsagerstjerne.

Dette materiale hvirvler rundt, opvarmet af miljøets intense pres og magnetisme. Dette genererer røntgenstråling. Det er omgivet af en corona, et område af subatomære partikler opvarmet til 1 milliard grader Celsius.

En ustabilitet i disken kan forårsage et sammenbrud, som en lavine, der falder ned ad et bjerg, frigiver et stråleudbrud. Det er denne indvendige kant af tilvækstskiven, som astronomer ønskede at studere. Endnu engang, du har en kilde til belysning, opblussen forårsaget af et diskkollaps. Dette frigiver røntgenstråler i alle retninger, men røntgenstråler passerer også gennem disken, reflekterer tilbage til os ved forskellige bølgelængder og intensiteter.

Astronomer var i stand til at se, at afstanden mellem det sorte hul og dets tilvækstskive ikke ser ud til at ændre sig under en af ​​disse flare-begivenheder, men den omgivende corona ændrer sig dramatisk, krymper ned fra 160 km til 16 km.

I januar 2014 astronomer opdagede en ny supernova i galaksen M82. Kendt som SN 2014J, dette var en Type 1a supernova, hvor en hvid dværg stjæler materiale fra en ledsagerstjerne. Når den rammer omkring 1,4 gange solens masse, det eksploderer - tydeligt synligt fra millioner af lysår væk.

Kun 11 millioner lysår væk, dette var det nærmeste Type 1a supernova astronomer havde set i 40 år, og det var den perfekte mulighed for at studere med Hubble-rumteleskopet.

Hubble observerede området 10 måneder efter at supernovaen gik i gang, og så igen to år senere. Og du kan tydeligt se strålingen fra eksplosionen bevæge sig gennem det omgivende materiale, oplyse det med lysets hastighed.

Astronomer anslår, at denne region af gas og støv strækker sig omkring 300 til 1, 600 lysår omkring den døde stjerne, og den belyses et lysår om året af det reflekterede lys fra supernovaeksplosionen.

Faktisk, astronomer har set dette ske mere end 15 gange, men dette var den nærmeste og dermed den højeste opløsning, de nogensinde har været i stand til at se.

Lad os gå større. Overvej tilfældet med en kollision observeret mellem galakser i færd med at smelte sammen. Den større galakse, ShaSS 073, har et aktivt nærende supermassivt sort hul i sin kerne, hvilket gør det utroligt lyst. Den mindre massive galakse kaldes ShaSS 622.

Stråling strømmer ud af tilvækstskiven omkring det supermassive sorte hul og bombarderer den mindre galakse, får den til at lyse, mens den absorberer og derefter genudsender lyset. Det er en lille plet på det medfølgende billede, men det er 1,8 milliarder kvadratlysår i rummet.

Men her er den mærkelige del:Ifølge deres beregninger, astronomer fandt ud af, at det ikke er nok stråling til at få det til at lyse så klart. I stedet, opblussen skete 30. 000 år tidligere, da galaksekernen var meget lysere, og de ser kun det reflekterede lys nu.

Det faktum, at lys bevæger sig med konstant hastighed, er yderst nyttigt for at udforske universet, selv når det giver ekko.