Релятивистское излучение

Изменение светимости движущегося объекта из-за специальной теории относительности

В M87 виден только один джет .

На 3C 31 видны две струи .

В физике релятивистское излучение (также известное как доплеровское излучение, доплеровское усиление или эффект фары ) — это процесс, посредством которого релятивистские эффекты изменяют видимую светимость излучающей материи, движущейся со скоростью, близкой к скорости света . В астрономическом контексте релятивистское излучение обычно происходит в двух противоположно направленных релятивистских струях плазмы , которые исходят из центрального компактного объекта , который аккрецирует материю. Аккрецирующие компактные объекты и релятивистские струи привлекаются для объяснения рентгеновских двойных систем , гамма-всплесков и, в гораздо большем масштабе, (АЯГ) активных галактических ядер (из которых квазары являются особой разновидностью).

Излучение влияет на видимую яркость движущегося объекта. Рассмотрим облако газа, движущееся относительно наблюдателя и испускающее электромагнитное излучение. Если газ движется к наблюдателю, он будет ярче, чем если бы он находился в состоянии покоя, но если газ удаляется, он будет казаться слабее. Масштаб эффекта иллюстрируется джетами AGN галактик M87 и 3C 31 (см. изображения справа). У M87 есть два джета, направленных почти прямо к Земле и от нее; джет, движущийся к Земле, отчетливо виден (длинная, тонкая голубоватая деталь на верхнем изображении справа), в то время как другой джет настолько слабее, что его не видно. ^[1] В 3C 31 оба джета (отмечены на нижнем рисунке справа) находятся примерно под прямым углом к ​​нашей линии зрения, и, таким образом, оба видны. Верхний джет указывает немного больше в направлении Земли и поэтому ярче. ^[2]

Релятивистски движущиеся объекты излучаются из-за различных физических эффектов. Аберрация света приводит к тому, что большинство фотонов излучается вдоль направления движения объекта. Эффект Доплера изменяет энергию фотонов, сдвигая их в красную или синюю сторону. Наконец, временные интервалы, измеряемые часами, движущимися рядом с излучающим объектом, отличаются от интервалов, измеряемых наблюдателем на Земле из-за эффектов замедления времени и времени прибытия фотонов. То, как все эти эффекты изменяют яркость или кажущуюся светимость движущегося объекта, определяется уравнением, описывающим релятивистский эффект Доплера (именно поэтому релятивистское излучение также известно как излучение Доплера).

Простая модель струи

Самая простая модель струи — это та, где одиночная однородная сфера движется к Земле почти со скоростью света. Эта простая модель также нереалистична, но она иллюстрирует физический процесс излучения.

Синхротронный спектр и спектральный индекс

Релятивистские струи излучают большую часть своей энергии посредством синхротронного излучения . В нашей простой модели сфера содержит высокорелятивистские электроны и постоянное магнитное поле. Электроны внутри капли движутся со скоростью, составляющей ничтожную долю скорости света, и подбрасываются магнитным полем. Каждое изменение направления электроном сопровождается высвобождением энергии в виде фотона. При достаточном количестве электронов и достаточно мощном магнитном поле релятивистская сфера может излучать огромное количество фотонов, начиная от относительно слабых радиочастот и заканчивая мощными рентгеновскими фотонами.

Особенности простого синхротронного спектра включают в себя, на низких частотах, сфера струи непрозрачна, и ее светимость увеличивается с частотой, пока не достигнет пика и не начнет уменьшаться. Эта пиковая частота происходит при . На частотах выше этой сфера струи прозрачна. Светимость уменьшается с частотой, пока не будет достигнута частота разрыва , после чего она уменьшается более быстро. Частота разрыва происходит, когда . Частота резкого разрыва возникает, потому что на очень высоких частотах электроны, которые испускают фотоны, быстро теряют большую часть своей энергии. Резкое уменьшение числа электронов с высокой энергией означает резкое уменьшение спектра. ${\displaystyle \log \nu =3}$ ${\displaystyle \log \nu =7}$

Изменения наклона в синхротронном спектре параметризуются спектральным индексом . Спектральный индекс α в заданном диапазоне частот — это просто наклон на диаграмме зависимости . (Разумеется, для того чтобы α имело реальное значение, спектр должен быть очень близок к прямой линии в рассматриваемом диапазоне.) ${\displaystyle \log S}$ ${\displaystyle \log \nu }$

Уравнение излучения

В простой струйной модели одной однородной сферы наблюдаемая светимость связана с собственной светимостью следующим образом:

${\displaystyle S_{o}=S_{e}D^{p}\,,}$

где

${\displaystyle p=3-\alpha \,.}$

Таким образом, наблюдаемая светимость зависит от скорости струи и угла к лучу зрения через фактор Доплера, а также от свойств внутри струи, как показано показателем степени со спектральным индексом. ${\displaystyle D}$

Уравнение излучения можно разбить на ряд из трех эффектов:

• Релятивистская аберрация
• Замедление времени
• Сине- или красносмещение

Аберрация

Аберрация — это изменение видимого направления объекта, вызванное относительным поперечным движением наблюдателя. В инерциальных системах она равна и противоположна коррекции светового времени .

В повседневной жизни аберрация — хорошо известное явление. Представьте себе человека, стоящего под дождем в безветренный день. Если человек стоит неподвижно, то капли дождя будут падать по прямой на землю. Однако если человек движется, например, в машине, то будет казаться, что дождь приближается под углом. Это кажущееся изменение направления падающих капель дождя и есть аберрация.

Величина аберрации зависит от скорости испускаемого объекта или волны относительно наблюдателя. В приведенном выше примере это будет скорость автомобиля по сравнению со скоростью падающего дождя. Это не меняется, когда объект движется со скоростью, близкой к . Подобно классическим и релятивистским эффектам, аберрация зависит от: 1) скорости излучателя во время испускания и 2) скорости наблюдателя во время поглощения. ${\displaystyle c}$

В случае релятивистской струи излучение (аберрация излучения) создаст видимость того, что больше энергии посылается вперед, вдоль направления движения струи. В простой модели струи однородная сфера будет излучать энергию одинаково во всех направлениях в системе покоя сферы. В системе покоя Земли движущаяся сфера будет излучать большую часть своей энергии вдоль направления своего движения. Таким образом, энергия «излучается» вдоль этого направления.

Количественно аберрация объясняет изменение светимости

${\displaystyle D^{2}\,.}$

Замедление времени

Замедление времени является хорошо известным следствием специальной теории относительности и объясняет изменение наблюдаемой светимости

${\displaystyle D^{1}\,.}$

Сине- или красносмещение

Синее или красное смещение может изменить наблюдаемую светимость на определенной частоте, но это не эффект излучения.

Сине-смещение объясняет изменение наблюдаемой светимости

${\displaystyle {\frac {1}{D^{\alpha }}}\,.}$

Инварианты Лоренца

Более сложный метод вывода уравнений излучения начинается с величины . Эта величина является инвариантом Лоренца, поэтому ее значение одинаково в разных системах отсчета. ${\displaystyle {\frac {S}{\nu ^{3}}}}$

Терминология

сияющий, сияющий

более короткие термины для «релятивистского излучения»

бета

отношение скорости струи к скорости света, иногда называемое «релятивистской бетой»

основной

область галактики вокруг центральной черной дыры

контр-струя

струя на дальней стороне источника, ориентированная близко к линии визирования, может быть очень слабой и ее трудно наблюдать

фактор Допплера

математическое выражение, которое измеряет силу (или слабость) релятивистских эффектов в активном галактическом ядре , включая излучение, на основе скорости струи и ее угла к линии визирования с Землей

плоский спектр

термин для нетеплового спектра , который излучает большую часть энергии на более высоких частотах по сравнению с более низкими частотами

внутренняя светимость

светимость струи в системе покоя струи

струя (часто называемая « релятивистской струей »)

высокоскоростной (близкий к c) поток плазмы, исходящий из полярного направления активного ядра галактики

наблюдаемая светимость

светимость струи в системе покоя Земли

спектральный индекс

мера того, как нетепловой спектр изменяется с частотой. Чем меньше α , тем значительнее энергия на более высоких частотах. Обычно α находится в диапазоне от 0 до 2.

крутой спектр

термин для нетеплового спектра , который излучает мало энергии на более высоких частотах по сравнению с более низкими частотами

Физические величины

угол к линии прямой видимости с Землей

${\displaystyle \theta \,\!}$

скорость струи

${\displaystyle v_{j}\,\!}$

внутренняя светимость

${\displaystyle S_{e}\,\!}$(иногда называется излучаемой светимостью)

наблюдаемая светимость

${\displaystyle S_{o}\,\!}$

спектральный индекс

${\displaystyle \alpha \,\!}$где ${\displaystyle S\propto \nu ^{\alpha }\,\!}$

Скорость света

${\displaystyle c\,\!=2.9979\times 10^{8}}$РС

Математические выражения

релятивистская бета

${\displaystyle \beta ={\frac {v_{j}}{c}}}$

фактор Лоренца

${\displaystyle \gamma ={\frac {1}{\sqrt {1-\beta ^{2}}}}}$

фактор Допплера

${\displaystyle D={\frac {1}{\gamma (1-\beta \cos \theta )}}}$

Смотрите также

• Астрофизический джет
• Релятивистский эффект Доплера
• Релятивистская частица
• Релятивистская плазма
• Параметр релятивистского подобия
• Релятивистские волновые уравнения

Ссылки

1. Sparks, WB; et al. (1992). "Контрструя в эллиптической галактике M87". Nature . 355 (6363): 804–806. Bibcode :1992Natur.355..804S. doi :10.1038/355804a0. S2CID  4332596.
2. Laing, R.; Bridle, AH (2002). «Релятивистские модели и поле скорости струи в радиогалактике 3C 31». Monthly Notices of the Royal Astronomical Society . 336 (1): 328–352. arXiv : astro-ph/0206215 . Bibcode : 2002MNRAS.336..328L. doi : 10.1046/j.1365-8711.2002.05756.x . S2CID  17253191.

Внешние ссылки

• Подробное объяснение релятивистской аберрации