Синхротронное излучение

Электромагнитное излучение

Синхротронное излучение (также известное как магнитотормозное излучение ) — это электромагнитное излучение, испускаемое, когда релятивистские заряженные частицы подвергаются ускорению, перпендикулярному их скорости ( a ⊥ v ). Оно производится искусственно в некоторых типах ускорителей частиц или естественным образом быстрыми электронами, движущимися через магнитные поля. Излучение, произведенное таким образом, имеет характерную поляризацию , а генерируемые частоты могут охватывать большую часть электромагнитного спектра . ^[1]

Графическое 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. Общим термином для излучения, испускаемого частицами в магнитном поле, является 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 гиро-синхротронным излучением . ^[3]

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

Синхротронное излучение от поворотного магнита

Синхротронное излучение от ондулятора

Синхротронное излучение от астрономического источника

История

Синхротронное излучение впервые наблюдал техник Флойд Хабер 24 апреля 1947 года на электронном синхротроне на 70 МэВ исследовательской лаборатории General Electric в Скенектади, штат Нью-Йорк . ^[5] Хотя это был не первый построенный синхротрон , он был первым с прозрачной вакуумной трубкой , что позволяло напрямую 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 трансформатор до предела. Произошло некоторое прерывистое искрение, и мы попросили техника понаблюдать с зеркалом вокруг защитной бетонной стены. Он немедленно дал сигнал выключить синхротрон, поскольку «увидел дугу в трубке». Вакуум был все еще превосходным, поэтому мы с Ленгмюром подошли к концу стены и наблюдали. Сначала мы думали, что это может быть из-за излучения 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 испускают электромагнитное излучение. Синхротронное излучение является особым случаем заряженных частиц, движущихся с релятивистской скоростью и испытывающих ускорение перпендикулярно направлению своего движения, как правило, в магнитном поле. В таком поле сила, вызванная полем, всегда перпендикулярна как направлению движения, так и направлению поля, как показано законом силы Лоренца .

Мощность, переносимая излучением, определяется (в единицах СИ ) по релятивистской формуле Лармора : ^{[9] [10]}

$${\displaystyle P_{\gamma }={\frac {q^{2}}{6\pi \varepsilon _{0}c^{3}}}a^{2}\gamma ^{4}={\frac {q^{2}c}{6\pi \varepsilon _{0}}}{\frac {\beta ^{4}\gamma ^{4}}{\rho ^{2}}},}$$где

• ${\displaystyle \varepsilon _{0}}$- диэлектрическая проницаемость вакуума ,
• ${\displaystyle q}$это заряд частицы,
• ${\displaystyle a}$это величина ускорения,
• ${\displaystyle c}$это скорость света,
• ${\displaystyle \gamma }$- фактор Лоренца ,
• ${\displaystyle \beta =v/c}$,
• ${\displaystyle \rho }$— радиус кривизны траектории частицы.

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

Когда излучение испускается частицей, движущейся в плоскости, излучение линейно поляризовано при наблюдении в этой плоскости и циркулярно поляризовано при наблюдении под малым углом. Однако, принимая во внимание квантовую механику, это излучение испускается дискретными пакетами фотонов и имеет значительные эффекты в ускорителях, называемых квантовым возбуждением . Для заданного ускорения средняя энергия испускаемых фотонов пропорциональна , а скорость испускания . ${\displaystyle \gamma ^{3}}$ ${\displaystyle \gamma }$

Из ускорителей

Круговые ускорители всегда будут производить гиромагнитное излучение, поскольку частицы отклоняются в магнитном поле. Однако количество и свойства излучения сильно зависят от природы происходящего ускорения. Например, из-за разницы в массе фактор в формуле для излучаемой мощности означает, что электроны излучают энергию примерно в 10 ¹³ раз быстрее, чем протоны. ^[11] ${\displaystyle \gamma ^{4}}$

Потери энергии от синхротронного излучения в кольцевых ускорителях изначально считались помехой, поскольку для компенсации потерь в пучок необходимо подавать дополнительную энергию. Однако, начиная с 1980-х годов, кольцевые ускорители электронов, известные как источники света, были построены для намеренного создания интенсивных пучков синхротронного излучения для исследований. ^[12]

В астрономии

Астрофизический джет Мессье 87 , изображение с HST . Голубой свет от джета, выходящего из яркого ядра AGN в нижнем правом углу, обусловлен синхротронным излучением.

Синхротронное излучение также генерируется астрономическими объектами, обычно там, где релятивистские электроны движутся по спирали (и, следовательно, изменяют скорость) через магнитные поля. Две его характеристики включают степенной энергетический спектр и поляризацию. ^[13] Он считается одним из самых мощных инструментов в изучении внесолнечных магнитных полей, где присутствуют релятивистские заряженные частицы. Большинство известных космических радиоисточников испускают синхротронное излучение. Его часто используют для оценки силы больших космических магнитных полей, а также для анализа содержимого межзвездных и межгалактических сред. ^[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 ранее (в 1950 году) его предсказали Ханнес Альфвен и Николай Херлофсон. ^[16] Солнечные вспышки ускоряют частицы, которые испускаются таким образом, как предположил Р. Джованелли в 1948 году и описал Дж. Х. Пиддингтон в 1952 году. ^[17]

ТК Бреус отметил, что вопросы приоритета в истории астрофизического синхротронного излучения сложны, написав:

В частности, русский физик В. Л. Гинзбург порвал отношения с И. С. Шкловским и не общался с ним 18 лет. На Западе Томас Голд и сэр Фред Хойл спорили с Х. Альфвеном и Н. Герлофсоном, 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 «струях», генерируемых гравитационным ускорением ионов в их полярных магнитных полях. Ближайшая такая наблюдаемая струя исходит из ядра галактики Мессье 87. Эта струя интересна тем, что создает иллюзию сверхсветового движения, наблюдаемого из системы отсчета Земли. Это явление вызвано тем, что струи движутся очень близко к скорости света и под очень малым углом к ​​наблюдателю. Поскольку в каждой точке своего пути высокоскоростные струи испускают свет, излучаемый ими свет не приближается к наблюдателю намного быстрее, чем сама струя. Свет, излучаемый за сотни лет путешествия, таким образом, достигает наблюдателя за гораздо меньший период времени, создавая иллюзию движения со скоростью, превышающей скорость света, несмотря на то, что на самом деле нет никакого нарушения специальной теории относительности . ^[19]

Пульсарные ветровые туманности

Класс астрономических источников , где синхротронное излучение играет важную роль, — это туманности пульсарного ветра , также известные как плерионы , архетипичными из которых являются Крабовидная туманность и связанный с ней пульсар . Недавно было обнаружено импульсное гамма-излучение от Краба 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

Многое из 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 обнаруживается на Земле. Свойства излучения позволяют астрономам делать выводы о напряженности и ориентации магнитного поля в этих областях. Однако точные расчеты напряженности поля не могут быть сделаны без знания плотности релятивистских электронов. ^[14]

В сверхновых

Когда звезда взрывается сверхновой, самые быстрые выбросы движутся с полурелятивистской скоростью, составляющей приблизительно 10% скорости света . ^[22] Эта взрывная волна вращает электроны в окружающих магнитных полях и генерирует синхротронное излучение, показывая радиус взрывной волны в месте выброса. ^[23] Синхротронное излучение также может показать силу магнитного поля на фронте ударной волны, а также околозвездную плотность, с которой оно сталкивается, но сильно зависит от выбора распределения энергии между магнитным полем, кинетической энергией протонов и кинетической энергией электронов. Радиосинхротронное излучение позволило астрономам пролить свет на потерю массы и звездные ветры, которые происходят непосредственно перед смертью звезды. ^{[24] [25]}

Смотрите также

• Тормозное излучение  – электромагнитное излучение, возникающее в результате торможения заряженных частиц.
• Оборот циклотрона
• Циклотронное излучение
• Лазер на свободных электронах  – лазер, использующий электронный луч в вакууме в качестве активной среды.
• Радиационная реакция  – Сила отдачи, действующая на ускоряющуюся заряженную частицуPages displaying short descriptions of redirect targets
• Релятивистское излучение  – изменение светимости движущегося объекта из-за специальной теории относительности.
• Эффект Соколова–Тернова  – Физическое явление спиновой поляризации
• Синхротронная функция

Примечания

1. "Что такое синхротронное излучение?". NIST . 2010-03-02.
2. Монреаль, Бенджамин (январь 2016 г.). «Одноэлектронное циклотронное излучение». Physics Today . 69 (1): 70. Bibcode : 2016PhT....69a..70M. doi : 10.1063/pt.3.3060 .
3. Чен, Бин. "Радиационные процессы от энергичных частиц II: Гиромагнитное излучение" (PDF) . New Jersey Institute of Technology . Получено 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. Elder, FR; Gurewitsch, AM; Langmuir, RV; Pollock, HC (1 июня 1947 г.). «Излучение электронов в синхротроне». Physical Review . 71 (11). Американское физическое общество : 829–830. Bibcode : 1947PhRv...71..829E. doi : 10.1103/physrev.71.829.5. ISSN  0031-899X.
6. Митчелл, Эдвард; Кун, Питер; Гарман, Элспет (май 1999). «Демистификация поездки на синхротроне: руководство для начинающих». Структура . 7 (5): R111–R121. doi : 10.1016/s0969-2126(99)80063-x . PMID  10378266.
7. Поллок, Герберт С. (март 1983 г.). «Открытие синхротронного излучения». American Journal of Physics . 51 (3): 278–280. Bibcode : 1983AmJPh..51..278P. doi : 10.1119/1.13289 .
8. Иваненко, Д.; Померанчук, И. (1 июня 1944 г.). «О максимальной энергии, достижимой в бетатроне». Physical Review . 65 (11–12). Американское физическое общество: 343. Bibcode :1944PhRv...65..343I. doi :10.1103/physrev.65.343. ISSN  0031-899X.
9. Уилсон, Э. Дж. Н. (2001). Введение в ускорители частиц . Оксфорд: Oxford University Press. С. 221–223. ISBN 0-19-850829-8.
10. Фицпатрик, Ричард. Классический электромагнетизм (PDF) . стр. 299.
11. Конте, Марио; Маккей, Уильям (2008). Введение в физику ускорителей частиц (2-е изд.). Хакенсак, Нью-Джерси: World Scientific. стр. 166. ISBN 978-981-277-960-1.
12. "История: рентгеновских лучей и синхротронов". lightsources.org . 21 сентября 2017 г. . Получено 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. Klein, Ulrich (2014). Галактические и межгалактические магнитные поля . Cham, Швейцария и Нью-Йорк: Springer. ISBN 978-3-319-08942-3. OCLC  894893367.
15. Burbidge, GR (1956). "О синхротронном излучении от Мессье 87". The Astrophysical Journal . 124. IOP Publishing: 416. Bibcode : 1956ApJ...124..416B. doi : 10.1086/146237 . ISSN  0004-637X.
16. Альфвен, Х.; Херлофсон, Н. (1 июня 1950 г.). «Космическое излучение и радиозвезды». Physical Review . 78 (5). APS: 616. Bibcode : 1950PhRv...78..616A. doi : 10.1103/physrev.78.616. ISSN  0031-899X.
17. Piddington, JH (1953). «Тепловые теории высокоинтенсивных компонентов солнечного радиоизлучения». Труды Физического общества. Раздел B. 66 ( 2). Издательство IOP: 97–104. Bibcode : 1953PPSB...66...97P. doi : 10.1088/0370-1301/66/2/305. ISSN  0370-1301.
18. Бреус Т.К., "История приоритетных вопросов синхротронной концепции в астрономии %t" (2001) в "Историко-астрономических исследованиях" , Вып. 26, стр. 88–97, 262 (2001).
19. Чейз, Скотт И. "Кажущаяся сверхсветовая скорость галактик" . Получено 22 августа 2012 г.
20. Алиу, Э.; Андерхаб, Х.; Антонелли, Л.А.; Анторанц, П.; Бэкес, М.; и др. (21 ноября 2008 г.). «Наблюдение импульсных γ-лучей с энергией свыше 25 ГэВ от пульсара в Крабовидной галактике с помощью MAGIC». Science . 322 (5905): 1221–1224. arXiv : 0809.2998 . Bibcode :2008Sci...322.1221A. doi :10.1126/science.1164718. ISSN  0036-8075. PMID  18927358. S2CID  5387958.
21. Дин, А. Дж.; Кларк, Д. Дж.; Стивен, Дж. Б.; Макбрайд, В. А.; Бассани, Л.; и др. (29 августа 2008 г.). «Поляризованное гамма-излучение краба». Science . 321 (5893). Американская ассоциация содействия развитию науки (AAAS): 1183–1185. Bibcode :2008Sci...321.1183D. doi :10.1126/science.1149056. ISSN  0036-8075. PMID  18755970. S2CID  206509342.
22. Содерберг, А .; Шевалье, РА; Кулкарни, СР; Фрайл, ДА (ноябрь 2006 г.). «Радио- и рентгеновская яркая SN 2003bg и околозвездные вариации плотности вокруг радиосверхновых». The Astrophysical Journal . 651 (2): 1005–1018. arXiv : astro-ph/0512413 . Bibcode : 2006ApJ...651.1005S. doi : 10.1086/507571 .
23. Шевалье, РА (май 1998). "Самопоглощение синхротрона в радиосверхновых". The Astrophysical Journal . 499 (2): 810–819. Bibcode : 1998ApJ...499..810C. doi : 10.1086/305676 .
24. Маргутти, Раффаэлла и др. (февраль 2017 г.). «Выброс массивной богатой водородом оболочки, совпавший с коллапсом раздетой SN 2014C». The Astrophysical Journal . 835 (2): 140. arXiv : 1601.06806 . Bibcode :2017ApJ...835..140M. doi : 10.3847/1538-4357/835/2/140 . hdl : 10150/624387 . PMC 5495200 . PMID  28684881. 
25. ДеМарчи, Линдси и др. (октябрь 2022 г.). «Радиоанализ SN2004C выявил необычный профиль плотности CSM как предвестник коллапса ядра». The Astrophysical Journal . 938 (1): 84. arXiv : 2203.07388 . Bibcode : 2022ApJ...938...84D. doi : 10.3847/1538-4357/ac8c26 .

Ссылки

• Брау, Чарльз А. Современные проблемы классической электродинамики. Oxford University Press, 2004. ISBN 0-19-514665-4 . 
• Джексон, Джон Дэвид. Классическая электродинамика. John Wiley & Sons, 1999. ISBN 0-471-30932-X 
• Ишфак Ахмад , доктор наук. "Измерения относительных сил осцилляторов с использованием синхротронного излучения" (PDF) . Труды Национального симпозиума по передовым рубежам физики, Национальный центр теоретической физики . Пакистанское физическое общество . Получено 16 января 2012 г.

Внешние ссылки

• Космическое магнитотормозное излучение (синхротронное излучение), Гинзбург В.Л., Сыроватский С.И., ВАРА, 1965
• Развитие теории синхротронного излучения и его реабсорбции, Гинзбург В.Л., Сыроватский С.И., ВАРА, 1969
• Lightsources.org
• BioSync – ресурс структурного биолога для объектов сбора данных с высокой энергией
• Буклет с данными рентгеновского исследования