Сверхсветовое движение

Видимое движение далеких астрономических объектов со скоростью, превышающей скорость света

Сверхсветовое движение

В астрономии сверхсветовое движение — это, по-видимому, движение со скоростью, превышающей скорость света, наблюдаемое в некоторых радиогалактиках , объектах BL Lac , квазарах , блазарах и в последнее время также в некоторых галактических источниках, называемых микроквазарами . Всплески энергии, движущиеся вдоль релятивистских струй, испускаемых этими объектами, могут иметь собственное движение , которое кажется больше скорости света . Считается, что все эти источники содержат черную дыру , ответственную за выброс массы на высоких скоростях. Световые эхо также могут производить видимое сверхсветовое движение. ^[1]

Объяснение

Сверхсветовое движение происходит как частный случай более общего явления, возникающего из-за разницы между кажущейся скоростью далеких объектов, движущихся по небу, и их реальной скоростью, измеренной в источнике. ^[2]

При отслеживании движения таких объектов по небу наивный расчет их скорости может быть получен путем простого деления расстояния на время. Если расстояние объекта от Земли известно, угловую скорость объекта можно измерить, а скорость можно наивно рассчитать с помощью:

Видимая скорость = расстояние до объекта × угловая скорость.

Этот расчет не дает фактической скорости объекта, так как он не учитывает тот факт, что скорость света конечна. При измерении движения удаленных объектов по небу существует большая временная задержка между тем, что было замечено, и тем, что произошло, из-за большого расстояния, которое должен преодолеть свет от удаленного объекта, чтобы достичь нас. Ошибка в приведенном выше наивном расчете возникает из-за того, что когда у объекта есть компонент скорости, направленный к Земле, по мере того, как объект приближается к Земле, эта временная задержка становится меньше. Это означает, что кажущаяся скорость, рассчитанная выше, больше фактической скорости. Соответственно, если объект удаляется от Земли, приведенный выше расчет занижает фактическую скорость.

Этот эффект сам по себе обычно не приводит к наблюдению сверхсветового движения. Но когда фактическая скорость объекта близка к скорости света, кажущаяся скорость может наблюдаться как превышающая скорость света, в результате вышеуказанного эффекта. Когда фактическая скорость объекта приближается к скорости света, эффект наиболее выражен, поскольку компонент скорости по направлению к Земле увеличивается. Это означает, что в большинстве случаев «сверхсветовые» объекты движутся почти прямо по направлению к Земле. Однако это не является строго необходимым, и сверхсветовое движение все еще может наблюдаться в объектах с заметными скоростями, не направленными по направлению к Земле. ^[3]

Сверхсветовое движение чаще всего наблюдается в двух встречных струях, исходящих из ядра звезды или черной дыры. В этом случае одна струя движется от Земли, а другая к ней. Если доплеровские смещения наблюдаются в обоих источниках, скорость и расстояние можно определить независимо от других наблюдений.

Некоторые противоположные доказательства

Еще в 1983 году на «сверхсветовом семинаре», состоявшемся в обсерватории Джодрелл-Бэнк , речь шла о семи известных тогда сверхсветовых струях,

Шилицци ... представил карты с разрешением в секунду дуги [показывающие крупномасштабные внешние струи] ... которые ... выявили внешнюю двойную структуру во всех, кроме одного ( 3C 273 ) известных сверхсветовых источниках. Смущение заключается в том, что средний проецируемый размер [на небе] внешней структуры не меньше, чем у обычной популяции радиоисточников. ^[4]

Другими словами, очевидно, что струи в среднем не находятся близко к линии прямой видимости Земли. (Если бы они находились близко, их видимая длина казалась бы намного короче.)

В 1993 году Томсон и др. предположили, что (внешняя) струя квазара 3C 273 почти коллинеарна линии прямой видимости Земли. Сверхсветовое движение со скоростью до ~9,6 с наблюдалось вдоль (внутренней) струи этого квазара. ^{[5] [6] [7]}

Сверхсветовое движение до 6 с было обнаружено во внутренних частях струи M87 . Чтобы объяснить это в терминах модели «узкого угла», струя должна быть не более чем в 19° от линии визирования Земли. ^[8] Но данные свидетельствуют о том, что струя на самом деле находится примерно в 43° к линии визирования Земли. ^[9] Та же группа ученых позже пересмотрела это открытие и выступила в пользу сверхсветового объемного движения, в которое встроена струя. ^[10]

Были выдвинуты предположения о турбулентности и/или «широких конусах» во внутренних частях струй, чтобы попытаться противостоять таким проблемам, и, похоже, есть некоторые доказательства этого. ^[11]

Скорость сигнала

Модель определяет разницу между информацией, переносимой волной на ее сигнальной скорости c , и информацией о кажущейся скорости изменения положения волнового фронта. Если световой импульс рассматривается в волноводе (стеклянной трубке), движущемся по полю зрения наблюдателя, то импульс может двигаться только со скоростью c по проводнику. Если этот импульс также направлен к наблюдателю, он получит эту волновую информацию со скоростью c . Если волновод перемещается в том же направлении, что и импульс, то информация о его положении, переданная наблюдателю в виде боковых излучений от импульса, изменяется. Он может видеть скорость изменения положения как, по-видимому, представляющую движение быстрее, чем c при расчете, как край тени на изогнутой поверхности. Это другой сигнал, содержащий другую информацию, по сравнению с импульсом, и он не нарушает второй постулат специальной теории относительности. c строго соблюдается во всех локальных полях.

Вывод кажущейся скорости

Релятивистская струя, выходящая из центра активного ядра галактики , движется вдоль AB со скоростью v и наблюдается из точки O. В момент времени луч света покидает струю из точки A, а другой луч покидает точку B в момент времени. Наблюдатель в точке O принимает лучи в моменты времени и соответственно. Угол достаточно мал, чтобы два отмеченных расстояния можно было считать равными. ${\displaystyle t_{1}}$ ${\displaystyle t_{2}=t_{1}+\delta t}$ ${\displaystyle t_{1}^{\prime }}$ ${\displaystyle t_{2}^{\prime }}$ ${\displaystyle \phi }$ ${\displaystyle D_{L}}$

${\displaystyle AB=v\,\delta t}$

${\displaystyle AC=v\,\delta t\cos \theta }$

${\displaystyle BC=v\,\delta t\sin \theta }$

${\displaystyle t_{2}-t_{1}=\delta t}$

${\displaystyle t_{1}'=t_{1}+{\frac {D_{L}+v\,\delta t\cos \theta }{c}}}$

${\displaystyle t_{2}'=t_{2}+{\frac {D_{L}}{c}}}$

${\displaystyle \delta t'=t_{2}'-t_{1}'=t_{2}-t_{1}-{\frac {v\,\delta t\cos \theta }{c}}=\delta t-{\frac {v\,\delta t\cos \theta }{c}}=\delta t(1-\beta \cos \theta )}$, где ${\displaystyle \beta =v/c}$

${\displaystyle \delta t={\frac {\delta t'}{1-\beta \cos \theta }}}$

${\displaystyle BC=D_{L}\sin \phi \approx \phi D_{L}=v\,\delta t\sin \theta \Rightarrow \phi D_{L}=v\sin \theta {\frac {\delta t'}{1-\beta \cos \theta }}}$

Кажущаяся поперечная скорость вдоль , ${\displaystyle CB}$ ${\displaystyle v_{\text{T}}={\frac {\phi D_{L}}{\delta t'}}={\frac {v\sin \theta }{1-\beta \cos \theta }}}$

${\displaystyle \beta _{\text{T}}={\frac {v_{\text{T}}}{c}}={\frac {\beta \sin \theta }{1-\beta \cos \theta }}.}$

Кажущаяся поперечная скорость максимальна для угла ( используется) ${\displaystyle 0<\beta <1}$

${\displaystyle {\frac {\partial \beta _{\text{T}}}{\partial \theta }}={\frac {\partial }{\partial \theta }}\left[{\frac {\beta \sin \theta }{1-\beta \cos \theta }}\right]={\frac {\beta \cos \theta }{1-\beta \cos \theta }}-{\frac {(\beta \sin \theta )^{2}}{(1-\beta \cos \theta )^{2}}}=0}$

${\displaystyle \Rightarrow \beta \cos \theta (1-\beta \cos \theta )^{2}=(1-\beta \cos \theta )(\beta \sin \theta )^{2}}$

${\displaystyle \Rightarrow \beta \cos \theta (1-\beta \cos \theta )=(\beta \sin \theta )^{2}\Rightarrow \beta \cos \theta -\beta ^{2}\cos ^{2}\theta =\beta ^{2}\sin ^{2}\theta \Rightarrow \cos \theta _{\text{max}}=\beta }$

${\displaystyle \Rightarrow \sin \theta _{\text{max}}={\sqrt {1-\cos ^{2}\theta _{\text{max}}}}={\sqrt {1-\beta ^{2}}}={\frac {1}{\gamma }}\,}$, где ${\displaystyle \gamma ={\frac {1}{\sqrt {1-\beta ^{2}}}}}$

${\displaystyle \therefore \beta _{\text{T}}^{\text{max}}={\frac {\beta \sin \theta _{\text{max}}}{1-\beta \cos \theta _{\text{max}}}}={\frac {\beta /\gamma }{1-\beta ^{2}}}=\beta \gamma }$

Если (т.е. когда скорость струи близка к скорости света), то несмотря на то, что . И, конечно, означает, что кажущаяся поперечная скорость вдоль , единственная скорость на небе, которую можно измерить, больше скорости света в вакууме, т.е. движение, по-видимому, сверхсветовое. ${\displaystyle \gamma \gg 1}$ ${\displaystyle \beta _{\text{T}}^{\text{max}}>1}$ ${\displaystyle \beta <1}$ ${\displaystyle \beta _{\text{T}}>1}$ ${\displaystyle CB}$

История

Видимое сверхсветовое движение в слабой туманности, окружающей Нову Персея, впервые наблюдал в 1901 году Чарльз Диллон Перрин . ^[12] «Фотография г-на Перрина от 7 и 8 ноября 1901 года, полученная с помощью рефлектора Кроссли, привела к замечательному открытию, что массы туманности, по-видимому, находились в движении, со скоростью, возможно, в несколько сотен раз большей, чем наблюдалось до сих пор». ^[13] «Используя 36-дюймовый телескоп (Кроссли), он обнаружил видимое сверхсветовое движение расширяющегося светового пузыря вокруг Новы Персея (1901). Считалось, что это туманность, но визуальное явление на самом деле было вызвано светом от события новой, отраженным от окружающей межзвездной среды, когда свет двигался наружу от звезды. Перрин изучал это явление, используя фотографические, спектроскопические и поляризационные методы». ^[14]

Сверхсветовое движение впервые наблюдал в 1902 году Якобус Каптейн в выбросе новой звезды GK Persei , которая взорвалась в 1901 году. ^[15] Его открытие было опубликовано в немецком журнале Astronomische Nachrichten и привлекло мало внимания англоязычных астрономов в течение многих десятилетий. ^{[16] [17]}

В 1966 году Мартин Рис указал, что «объект, движущийся релятивистски в подходящих направлениях, может казаться удаленному наблюдателю имеющим поперечную скорость, намного превышающую скорость света». ^[18] В 1969 и 1970 годах такие источники были обнаружены как очень далекие астрономические радиоисточники, такие как радиогалактики и квазары, ^{[19] [20] [21]} и были названы сверхсветовыми источниками. Открытие стало результатом новой техники, называемой интерферометрией со сверхдлинной базой , которая позволила астрономам установить пределы углового размера компонентов и определять положения с точностью до миллисекунд дуги , и, в частности, определять изменение положений на небе, называемое собственными движениями , за период времени, обычно составляющий годы. Кажущаяся скорость получается путем умножения наблюдаемого собственного движения на расстояние, которое может быть до 6 раз больше скорости света.

Во введении к семинару по сверхсветовым источникам радиоизлучения Пирсон и Зенсус сообщили

Первые указания на изменения в структуре некоторых источников были получены американо-австралийской группой в серии транстихоокеанских VLBI-наблюдений между 1968 и 1970 годами (Gubbay et al. 1969). ^[19] После ранних экспериментов они осознали потенциал следящих антенн NASA для VLBI-измерений и установили интерферометр, работающий между Калифорнией и Австралией. Изменение видимости источника, которое они измерили для 3C 279 , в сочетании с изменениями общей плотности потока, указало, что компонент, впервые замеченный в 1969 году, достиг диаметра около 1 угловой миллисекунды, что подразумевает расширение с кажущейся скоростью, по крайней мере, в два раза превышающей скорость света. Зная модель Риса, ^[18] (Moffet et al. 1972) ^[22] пришли к выводу, что их измерение предоставило доказательства релятивистского расширения этого компонента. Эта интерпретация, хотя и не уникальная, была позднее подтверждена, и оглядываясь назад, кажется справедливым сказать, что их эксперимент был первым интерферометрическим измерением сверхсветового расширения. ^[23]

В 1994 году был установлен галактический рекорд скорости с открытием сверхсветового источника в Млечном Пути , космического рентгеновского источника GRS 1915+105 . Расширение произошло в гораздо более короткие сроки. Было замечено, что несколько отдельных пятен расширялись парами в течение недель, как правило, на 0,5 угловых секунд . ^[24] Из-за аналогии с квазарами этот источник был назван микроквазаром .

Смотрите также

• ЭПР-парадокс
• Квантовая запутанность
• Сверхсветовая связь
• Космические лучи сверхвысокой энергии
• Список квазаров § Список квазаров с видимым сверхсветовым струйным движением

Примечания

1. Бонд, Х. Э. и др. (2003). «Энергичная вспышка звезды, сопровождаемая околозвездными световыми эхами». Nature . 422 (6930): 405–408. arXiv : astro-ph/0303513 . Bibcode :2003Natur.422..405B. doi :10.1038/nature01508. PMID  12660776. S2CID  90973.
2. Реками, Эразмо (апрель 1986 г.). «Соображения о кажущихся сверхсветовых расширениях, наблюдаемых в астрофизике». Il Nuovo Cimento . 93 (1): 9. Bibcode : 1986NCimB..93..119R. doi : 10.1007/BF02722327. S2CID  118034129.
3. Мейер, Эйлин (июнь 2018 г.). «Обнаружение оптического/УФ-джета/контрджета и множественных спектральных компонентов в M84». The Astrophysical Journal . 680 (1): 9. arXiv : 1804.05122 . Bibcode :2018ApJ...860....9M. doi : 10.3847/1538-4357/aabf39 . S2CID  67822924.
4. Поркас, Ричард (1983). «Сверхсветовые движения: астрономы все еще в замешательстве». Nature . 302 (5911): 753–754. Bibcode :1983Natur.302..753P. doi : 10.1038/302753a0 .
5. Томсон, RC; Маккей, CD; Райт, AE (1993). "Внутренняя структура и поляризация оптического джета квазара 3C273". Nature . 365 (6442): 133. Bibcode :1993Natur.365..133T. doi :10.1038/365133a0. S2CID  4314344.;
6. Пирсон, Т. Дж.; Анвин, С. К.; Коэн, М. Х.; Линфилд, РП; Ридхед, А. С. Сейлстад, Г. А.; Саймон, Р. С.; Уокер, Р. К. (1981). "Сверхсветовое расширение квазара 3C273". Nature . 290 (5805): 365. Bibcode :1981Natur.290..365P. doi :10.1038/290365a0. S2CID  26508893.;
7. Дэвис, Р. Дж.; Анвин, С. К.; Мукслоу, TWB (1991). «Крупномасштабное сверхсветовое движение в квазаре 3C273». Nature . 354 (6352): 374. Bibcode :1991Natur.354..374D. doi :10.1038/354374a0. S2CID  4271003.
8. Биретта, Джон А.; Джунор, Уильям; Ливио, Марио (1999). «Формирование радиоструи в M87 на расстоянии 100 радиусов Шварцшильда от центральной черной дыры». Nature . 401 (6756): 891. Bibcode :1999Natur.401..891J. doi :10.1038/44780. S2CID  205034376. ; Биретта, JA; Спаркс, WB; МакЧетто, F. (1999). "Наблюдения сверхсветового движения в струе M87 с помощью космического телескопа Хаббл". The Astrophysical Journal . 520 (2): 621. Bibcode :1999ApJ...520..621B. doi : 10.1086/307499 .
9. Биретта, JA; Чжоу, F.; Оуэн, FN (1995). «Обнаружение собственных движений в струе M87». The Astrophysical Journal . 447 : 582. Bibcode : 1995ApJ...447..582B. doi : 10.1086/175901.
10. Биретта, JA; Спаркс, WB; МакЧетто, F. (1999). "Наблюдения сверхсветового движения в струе M87 с помощью космического телескопа Хаббл". The Astrophysical Journal . 520 (2): 621. Bibcode :1999ApJ...520..621B. doi : 10.1086/307499 .
11. Биретта, Джон А.; Джунор, Уильям; Ливио, Марио (1999). «Формирование радиоструи в M87 на расстоянии 100 радиусов Шварцшильда от центральной черной дыры». Nature . 401 (6756): 891. Bibcode :1999Natur.401..891J. doi :10.1038/44780. S2CID  205034376.
12. Перрин, Чарльз (декабрь 1901 г.). «Движение в слабой туманности, окружающей Нова Персея». Astrophysical Journal . 14 : 359–362. Bibcode : 1901ApJ....14..359P. doi : 10.1086/140877 .
13. Кэмпбелл, Уильям (1902). «Ликская обсерватория и ее проблемы». Overland Monthly . XL (3): 326–327.
14. Teare SW (2014). "Чарльз Диллон Перрин". Биографическая энциклопедия астрономов . doi :10.1007/978-1-4419-9917-7_1074.
15. Боде, М. Ф.; О'Брайен, Т. Дж.; Симпсон, М. (2004). «Отголоски взрывного прошлого: разгадка тайны первого сверхсветового источника». The Astrophysical Journal . 600 (1): L63–L66. Bibcode :2004ApJ...600L..63B. doi : 10.1086/381529 . S2CID  121645094.
16. Статья Каптейна
17. Указатель ссылок на статью Каптейна
18. Rees, MJ (1966). "Появление релятивистски расширяющихся радиоисточников". Nature . 211 (5048): 468–470. Bibcode :1966Natur.211..468R. doi :10.1038/211468a0. S2CID  41065207.
19. Gubbay, JS; Legg, AJ; Robertson, DS; Moffet, AT; Ekers, RD; Seidel, B. (1969). «Изменения малых компонентов квазаров на частоте 2300 МГц». Nature . 224 (5224): 1094–1095. Bibcode :1969Natur.224.1094G. doi :10.1038/2241094b0. S2CID  4196846.
20. Коэн, М. Х.; Кэннон, В.; Перселл, Г. Х.; Шаффер, Д. Б.; Бродерик, Дж. Дж.; Келлерманн, К. И.; Джонси, Д. Л. (1971). «Мелкомасштабная структура радиогалактик и квазизвездных источников на расстоянии 3,8 сантиметра». The Astrophysical Journal . 170 : 207. Bibcode : 1971ApJ...170..207C. doi : 10.1086/151204.
21. Уитни, AR; Шапиро, Ирвин И.; Роджерс, Алан EE; Робертсон, Дуглас С.; Найт, Кертис А.; Кларк, Томас А.; Голдштейн, Ричард М.; Марандино, Джерард Э.; Ванденберг, Нэнси Р. (1971). «Квазары снова: быстрые временные вариации, наблюдаемые с помощью интерферометрии со сверхдлинной базой». Science . 173 (3993): 225–30. Bibcode :1971Sci...173..225W. doi :10.1126/science.173.3993.225. PMID  17741416. S2CID  20152786.
22. Моффет, AT; Губбай, Дж.; Робертсон, Д.С.; Легг, А.Дж. (1972). Эванс, Д.С. (ред.). Внешние галактики и квазизвездные объекты: Симпозиум МАС 44, состоявшийся в Уппсале, Швеция, 10–14 августа 1970 г. Дордрехт: Reidel. стр. 228. ISBN 9027701997.
23. Пирсон, Тимоти Дж.; Зенсус, Дж. Антон (1987). Дж. Антон Зенсус; Тимоти Дж. Пирсон (ред.). Источники сверхсветового радиоизлучения: труды семинара в честь профессора Маршалла Х. Коэна, состоявшегося в солнечной обсерватории Биг-Беар, Калифорния, 28-30 октября 1986 г. Кембридж; Нью-Йорк: Cambridge University Press . стр. 3. Bibcode : 1987slrs.work....1P. ISBN 9780521345606. {{cite book}}: |journal=проигнорировано ( помощь )
24. Мирабель, ИФ; Родригес, ЛФ (1994). «Сверхсветовой источник в Галактике». Nature . 371 (6492): 46–48. Bibcode :1994Natur.371...46M. doi :10.1038/371046a0. S2CID  4347263.

Внешние ссылки

• Более подробное объяснение.
• Математический вывод сверхсветового движения.
• Сверхсветовое движение Flash Applet. Архивировано 2013-07-05 на Wayback Machine