stringtranslate.com

Синхротронное излучение

Синхротронное излучение (также известное как магнитотормозное излучение ) — это электромагнитное излучение, испускаемое, когда релятивистски заряженные частицы подвергаются ускорению, перпендикулярному их скорости ( a ⊥ v ). Он создается искусственно в некоторых типах ускорителей частиц или естественным путем с помощью быстрых электронов, движущихся в магнитных полях. Излучение, производимое таким образом, имеет характерную поляризацию , а генерируемые частоты могут охватывать большую часть электромагнитного спектра . [1]

Наглядное изображение процесса испускания излучения источником, движущимся вокруг черной дыры Шварцшильда во вселенной де Ситтера .

Синхротронное излучение похоже на тормозное излучение , которое испускается заряженной частицей, когда ускорение параллельно направлению движения. Общий термин для излучения, испускаемого частицами в магнитном поле, — гиромагнитное излучение , для которого синхротронное излучение является ультрарелятивистским частным случаем. Излучение, испускаемое заряженными частицами, движущимися нерелятивистски в магнитном поле, называется циклотронным излучением . [2] Для частиц в умеренно релятивистском диапазоне (≈85% скорости света) излучение называется гиросинхротронным излучением . [3]

В астрофизике синхротронное излучение возникает, например, из-за ультрарелятивистского движения заряженной частицы вокруг черной дыры . [4] Когда источник движется по круговой геодезической вокруг черной дыры, синхротронное излучение возникает на орбитах, близких к фотосфере , где движение происходит в ультрарелятивистском режиме.

Синхротронное излучение изгибающего магнита
Синхротронное излучение ондулятора
Синхротронное излучение астрономического источника

История

Синхротронное излучение впервые наблюдалось техником Флойдом Хабером 24 апреля 1947 года на электронном синхротроне на энергию 70 МэВ исследовательской лаборатории General Electric в Скенектади, Нью-Йорк . [5] Хотя это был не первый построенный синхротрон , он был первым с прозрачной вакуумной трубкой , позволяющей непосредственно наблюдать излучение. [6]

Как рассказал Герберт Поллок: [7]

24 апреля мы с Ленгмюром управляли машиной и, как обычно, пытались довести электронную пушку и связанный с ней импульсный преобразователь до предела. Произошло периодическое искрение, и мы попросили техника наблюдать за ним через зеркало вокруг защитной бетонной стены. Он немедленно подал сигнал выключить синхротрон, поскольку «увидел дугу в трубке». Вакуум по-прежнему был превосходным, поэтому мы с Ленгмюром подошли к концу стены и стали наблюдать. Сначала мы думали, что это может быть связано с излучением Черенкова , но вскоре стало ясно, что мы видим излучение Иваненко и Померанчука . [8]

Описание

Прямым следствием уравнений Максвелла является то, что ускоренные заряженные частицы всегда излучают электромагнитное излучение. Синхротронное излучение — это частный случай, когда заряженные частицы, движущиеся с релятивистской скоростью, испытывают ускорение, перпендикулярное направлению их движения, обычно в магнитном поле. В таком поле сила, действующая на поле, всегда перпендикулярна как направлению движения, так и направлению поля, как показывает закон силы Лоренца .

Мощность, переносимая излучением, находится (в единицах СИ ) по релятивистской формуле Лармора : [9] [10]

Сила, действующая на излучающий электрон, определяется силой Абрахама-Лоренца-Дирака .

Когда излучение испускается частицей, движущейся в плоскости, оно линейно поляризовано при наблюдении в этой плоскости и циркулярно поляризовано при наблюдении под небольшим углом. Однако, учитывая квантовую механику, это излучение испускается в виде дискретных пакетов фотонов и оказывает в ускорителях значительные эффекты, называемые квантовым возбуждением . Для данного ускорения средняя энергия испускаемых фотонов пропорциональна, а скорость излучения - .

От ускорителей

Круглые ускорители всегда будут производить гиромагнитное излучение, поскольку частицы отклоняются в магнитном поле. Однако количество и свойства излучения сильно зависят от характера происходящего ускорения. Например, из-за разницы в массе коэффициент в формуле излучаемой мощности означает, что электроны излучают энергию примерно в 10 13 раз быстрее, чем протоны. [11]

Потери энергии из-за синхротронного излучения в круговых ускорителях изначально считались неприятностью, поскольку для компенсации потерь в пучок необходимо подавать дополнительную энергию. Однако, начиная с 1980-х годов, были созданы круговые ускорители электронов, известные как источники света, для целенаправленного производства интенсивных пучков синхротронного излучения для исследований. [12]

В астрономии

Астрофизический реактивный самолет Мессье -87 , изображение HST . Синий свет струи, выходящей из яркого ядра АЯГ в правом нижнем углу, обусловлен синхротронным излучением.

Синхротронное излучение также генерируется астрономическими объектами, обычно там, где релятивистские электроны вращаются по спирали (и, следовательно, меняют скорость) через магнитные поля. Двумя его характеристиками являются степенные энергетические спектры и поляризация. [13] Он считается одним из самых мощных инструментов в изучении внесолнечных магнитных полей везде, где присутствуют релятивистские заряженные частицы. Большинство известных космических радиоисточников излучают синхротронное излучение. Его часто используют для оценки силы больших космических магнитных полей, а также для анализа содержимого межзвездной и межгалактической среды. [14]

История обнаружения

Этот тип излучения был впервые обнаружен в струе, испускаемой Мессье-87 в 1956 году , Джеффри Р. Бербиджем [15] , который увидел в этом подтверждение предсказания Иосифа С. Шкловского в 1953 году. Однако оно было предсказано ранее (1950 г.). ) Ханнеса Альфвена и Николая Херлофсона. [16] Солнечные вспышки ускоряют частицы, излучающие таким образом, как это предположил Р. Джованелли в 1948 году и описал Дж. Х. Пиддингтон в 1952 году. [17]

Т.К. Бреус отметил, что приоритетные вопросы истории астрофизического синхротронного излучения сложны, написав:

В частности, русский физик В.Л. Гинзбург разорвал отношения с И.С. Шкловским и не общался с ним 18 лет. На Западе Томас Голд и сэр Фред Хойл спорили с Х. Альвеном и Н. Херлофсоном, а К. О. Кипенхойер и Г. Хатчинсон ими игнорировались. [ необходимо разъяснение ] [18]

Голубоватое свечение центральной области Крабовидной туманности обусловлено синхротронным излучением.

Из сверхмассивных черных дыр

Было высказано предположение, что сверхмассивные черные дыры производят синхротронное излучение в виде «струй», генерируемых гравитационным ускорением ионов в их полярных магнитных полях. Ближайший такой наблюдаемый джет находится из ядра галактики Мессье 87 . Эта струя интересна тем, что создает иллюзию сверхсветового движения, наблюдаемого с Земли. Это явление вызвано тем, что струи движутся со скоростью, близкой к скорости света , и под очень небольшим углом к ​​наблюдателю. Поскольку в каждой точке своего пути высокоскоростные струи излучают свет, излучаемый ими свет не приближается к наблюдателю гораздо быстрее, чем сама струя. Таким образом, свет, излучаемый за сотни лет путешествия, достигает наблюдателя за гораздо меньший период времени, создавая иллюзию более быстрого путешествия, чем свет, несмотря на то, что на самом деле никакого нарушения специальной теории относительности нет . [19]

Пульсарные ветровые туманности

Класс астрономических источников , для которых важно синхротронное излучение, — это пульсарные ветровые туманности , также известные как плерионы , архетипическими из которых являются Крабовидная туманность и связанный с ней пульсар . Импульсное гамма-излучение Краба недавно наблюдалось до ≥25 ГэВ [20] , вероятно, из-за синхротронного излучения электронов, захваченных в сильном магнитном поле вокруг пульсара. Поляризация в Крабовидной туманности [21] при энергиях от 0,1 до 1,0 МэВ иллюстрирует это типичное свойство синхротронного излучения.

Межзвездные и межгалактические среды

Большая часть того, что известно о магнитной среде межзвездной среды и межгалактической среды , получено из наблюдений синхротронного излучения. Электроны космических лучей, движущиеся через среду, взаимодействуют с релятивистской плазмой и испускают синхротронное излучение, которое регистрируется на Земле. Свойства излучения позволяют астрономам делать выводы о напряженности и ориентации магнитного поля в этих регионах. Однако точные расчеты напряженности поля невозможны без знания плотности релятивистских электронов. [14]

В сверхновых

Когда звезда взрывается как сверхновая, самые быстрые выбросы движутся с полурелятивистской скоростью, примерно 10% скорости света . [22] Эта взрывная волна вращает электроны в окружающих магнитных полях и генерирует синхротронное излучение, раскрывая радиус взрывной волны в месте излучения. [23] Синхротронное излучение также может выявить силу магнитного поля во фронте ударной волны, а также околозвездную плотность, с которой она сталкивается, но сильно зависит от выбора энергетического разделения между магнитным полем, кинетической энергией протонов и кинетическая энергия электрона. Радиосинхротронное излучение позволило астрономам пролить свет на потерю массы и звездные ветры, возникающие непосредственно перед смертью звезды. [24] [25]

Смотрите также

Примечания

  1. ^ «Что такое синхротронное излучение?». НИСТ . 02 марта 2010 г.
  2. ^ Монреаль, Бенджамин (январь 2016 г.). «Одноэлектронное циклотронное излучение». Физика сегодня . 69 (1): 70. Бибкод : 2016ФТ....69а..70М. дои : 10.1063/pt.3.3060 .
  3. ^ Чен, Бин. «Радиационные процессы от энергичных частиц II: Гиромагнитное излучение» (PDF) . Технологический институт Нью-Джерси . Проверено 10 декабря 2021 г.
  4. ^ Бриту, Жуан ПБ; Бернар, Рафаэль П.; Криспино, Луис CB (11 июня 2020 г.). «Синхротронное геодезическое излучение в пространстве-времени Шварцшильда – де Ситтера». Физический обзор D . 101 (12): 124019. arXiv : 2006.08887 . Бибкод : 2020PhRvD.101l4019B. doi : 10.1103/PhysRevD.101.124019. ISSN  2470-0010. S2CID  219708236.
  5. ^ Старейшина, Франция; Гуревич, AM; Ленгмюр, Р.В.; Поллок, ХК (1 июня 1947 г.). «Излучение электронов в синхротроне». Физический обзор . Американское физическое общество . 71 (11): 829–830. Бибкод : 1947PhRv...71..829E. дои : 10.1103/physrev.71.829.5. ISSN  0031-899X.
  6. ^ Митчелл, Эдвард; Кун, Питер; Гарман, Элспет (май 1999 г.). «Демистификация синхротронного путешествия: руководство для начинающих пользователей». Состав . 7 (5): Р111–Р121. дои : 10.1016/s0969-2126(99)80063-x . ПМИД  10378266.
  7. ^ Поллок, Герберт К. (март 1983 г.). «Открытие синхротронного излучения». Американский журнал физики . 51 (3): 278–280. Бибкод : 1983AmJPh..51..278P. дои : 10.1119/1.13289 .
  8. ^ Иваненко, Д.; Померанчук И. (1 июня 1944 г.). «О максимальной энергии, достижимой в бетатроне». Физический обзор . Американское физическое общество. 65 (11–12): 343. Бибкод : 1944PhRv...65..343I. doi : 10.1103/physrev.65.343. ISSN  0031-899X.
  9. ^ Уилсон, EJN (2001). Введение в ускорители частиц . Оксфорд: Издательство Оксфордского университета. стр. 221–223. ISBN 0-19-850829-8.
  10. ^ Фицпатрик, Ричард. Классический электромагнетизм (PDF) . п. 299.
  11. ^ Конте, Марио; Маккей, Уильям (2008). Введение в физику ускорителей частиц (2-е изд.). Хакенсак, Нью-Джерси: World Scientific. п. 166. ИСБН 978-981-277-960-1.
  12. ^ «История: рентгеновских лучей и синхротронов». Lightsources.org . 21 сентября 2017 года . Проверено 13 декабря 2021 г.
  13. ^ Владимир А. Бордовицын, «Синхротронное излучение в астрофизике» (1999) Теория синхротронного излучения и ее развитие , ISBN 981-02-3156-3 
  14. ^ Аб Кляйн, Ульрих (2014). Галактические и межгалактические магнитные поля . Чам, Швейцария и Нью-Йорк: Springer. ISBN 978-3-319-08942-3. ОКЛК  894893367.
  15. ^ Бербидж, GR (1956). «О синхротронном излучении Мессье-87». Астрофизический журнал . Издательство ИОП. 124 : 416. Бибкод : 1956ApJ...124..416B. дои : 10.1086/146237 . ISSN  0004-637X.
  16. ^ Альфвен, Х.; Херлофсон, Н. (1 июня 1950 г.). «Космическое излучение и радиозвезды». Физический обзор . АПС. 78 (5): 616. Бибкод : 1950PhRv...78..616A. doi : 10.1103/physrev.78.616. ISSN  0031-899X.
  17. ^ Пиддингтон, Дж. Х. (1953). «Тепловые теории высокоинтенсивных составляющих солнечного радиочастотного излучения». Труды Физического общества. Раздел Б. Издательство ИОП. 66 (2): 97–104. Бибкод : 1953PPSB...66...97P. дои : 10.1088/0370-1301/66/2/305. ISSN  0370-1301.
  18. ^ Бреус Т.К., "История приоритетных вопросов синхротронной концепции в астрономии %t" (2001) в журнале " Историко-астрономические исследования" , Вып. 26, стр. 88–97, 262 (2001).
  19. ^ Чейз, Скотт И. «Кажущаяся сверхсветовая скорость галактик» . Проверено 22 августа 2012 г.
  20. ^ Алиу, Э.; Андерхуб, Х.; Антонелли, Луизиана; Анторанц, П.; Бэкес, М.; и другие. (21 ноября 2008 г.). «Наблюдение импульсных γ-лучей с энергией выше 25 ГэВ от Крабового пульсара с помощью MAGIC». Наука . 322 (5905): 1221–1224. arXiv : 0809.2998 . Бибкод : 2008Sci...322.1221A. дои : 10.1126/science.1164718. ISSN  0036-8075. PMID  18927358. S2CID  5387958.
  21. ^ Дин, Эй Джей; Кларк, диджей; Стивен, Дж.Б.; Макбрайд, Вирджиния; Бассани, Л.; и другие. (29 августа 2008 г.). «Поляризованное гамма-излучение краба». Наука . Американская ассоциация содействия развитию науки (AAAS). 321 (5893): 1183–1185. Бибкод : 2008Sci...321.1183D. дои : 10.1126/science.1149056. ISSN  0036-8075. PMID  18755970. S2CID  206509342.
  22. ^ Содерберг, А .; Шевалье, РА; Кулкарни, СР; Фрайл, Д.А. (ноябрь 2006 г.). «Радио- и рентгеновская светящаяся SN 2003bg и изменения околозвездной плотности вокруг радиосверхновых». Астрофизический журнал . 651 (2): 1005–1018. arXiv : astro-ph/0512413 . дои : 10.1086/507571 .
  23. ^ Шевалье, РА (май 1998 г.). «Синхротронное самопоглощение в радиосверхновых». Астрофизический журнал . 499 (2): 810–819. дои : 10.1086/305676 .
  24. ^ Маргутти, Рафаэлла; и другие. (февраль 2017 г.). «Выброс массивной богатой водородом оболочки, приуроченный к коллапсу обнаженной сверхновой 2014C». Астрофизический журнал . 835 (2): 140. дои : 10.3847/1538-4357/835/2/140 . hdl : 10150/624387 .
  25. ^ ДеМарчи, Линдси; и другие. (октябрь 2022 г.). «Радиоанализ SN2004C выявил необычный профиль плотности CSM как предвестник коллапса ядра». Астрофизический журнал . 938 (1): 84. arXiv : 2203.07388 . дои : 10.3847/1538-4357/ac8c26 .

Рекомендации

Внешние ссылки