Релятивистское сияние

Эта статья требует дополнительных ссылок для проверки . Пожалуйста, помогите улучшить эту статью , добавив цитаты из надежных источников . Материал, не полученный от источника, может быть оспорен и удален. Найти источники:  «Релятивистское сияние»  -  новости  · газеты  · книги  · ученый  · JSTOR ( март 2014 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

В M87 видна только одна струя .

В 3C 31 видны две струи .

Релятивистское излучение (также известное как доплеровское излучение, доплеровское усиление или эффект фар ) - это процесс, с помощью которого релятивистские эффекты изменяют кажущуюся яркость излучаемой материи, движущейся со скоростью, близкой к скорости света . В астрономической контексте, релятивистские сияя обычно происходит в двух противоположно направленных- релятивистских струях из плазмы , которые происходят из центрального компактного объекта , который аккрецирующее дела. Аккреция компактных объектов и релятивистских джетов используется для объяснения двойных рентгеновских лучей , гамма-всплесков и, в гораздо большем масштабе,активные ядра галактик ( квазары также связаны с аккрецирующим компактным объектом, но считаются просто особой разновидностью активных ядер галактик, или AGN ).

Излучение влияет на кажущуюся яркость движущегося объекта так же, как направление, в котором корабль смотрит на свет, исходящий от маяка, влияет на воспринимаемую яркость этого света: свет кажется тусклым или невидимым для корабля, за исключением случаев, когда вращающийся маяк направлен к нему, когда он тогда станет ярким. Этот так называемый эффект маяка иллюстрирует важность направления движения относительно наблюдателя. Представьте себе газовое облако, движущееся относительно наблюдателя и испускающее электромагнитное излучение. Если газ движется к наблюдателю, он будет ярче, чем если бы он был в состоянии покоя, но если газ уходит, он будет казаться более тусклым. Величину эффекта иллюстрируют джеты АЯГ галактик M87 и3C 31 (см. Изображения справа). M87 имеет двойные реактивные двигатели, направленные почти прямо на Землю и от нее; струя, движущаяся к Земле, отчетливо видна (длинная тонкая голубоватая деталь на верхнем изображении), в то время как другая струя настолько слабее, что ее не видно. ^[1] В 3C 31 обе струи (обозначенные на нижнем рисунке) расположены примерно под прямым углом к ​​нашему лучу зрения, и, таким образом, оба видны. Верхняя струя на самом деле немного больше направлена ​​в сторону Земли и поэтому ярче. ^[2]

Релятивистски движущиеся объекты излучаются из-за множества физических эффектов. Из-за аберрации света большая часть фотонов излучается вдоль направления движения объекта. Эффект Доплера изменяет энергию фотонов, сдвигая их в красный или синий цвет. Наконец, временные интервалы, измеряемые часами, движущимися рядом с излучающим объектом, отличаются от интервалов, измеренных наблюдателем на Земле из-за замедления времени и эффектов времени прибытия фотонов. Как все эти эффекты изменяют яркость или кажущуюся яркость движущегося объекта, определяется уравнением, описывающим релятивистский эффект Доплера (вот почему релятивистское излучение также известно как излучение Доплера).

Простая модель реактивного двигателя [ править ]

Самая простая модель джета - это модель, в которой единственная однородная сфера движется к Земле почти со скоростью света. Эта простая модель также нереальна, но она довольно хорошо иллюстрирует физический процесс излучения.

Синхротронный спектр и спектральный индекс [ править ]

Релятивистские струи излучают большую часть своей энергии через синхротронное излучение . В нашей простой модели сфера содержит высокорелятивистские электроны и постоянное магнитное поле. Электроны внутри капли движутся со скоростью, лишь незначительно меньшей скорости света, и вращаются под действием магнитного поля. Каждое изменение направления электроном сопровождается выделением энергии в виде фотона. При наличии достаточного количества электронов и достаточно мощного магнитного поля релятивистская сфера может излучать огромное количество фотонов, от фотонов на относительно слабых радиочастотах до мощных рентгеновских фотонов.

Рисунок образца спектра показывает основные характеристики простого синхротронного спектра. На низких частотах сфера струи непрозрачна, и ее яркость увеличивается с частотой, пока не достигает пика и не начинает уменьшаться. В образце изображения эта пиковая частота встречается при . На частотах выше этой сфера струи прозрачна. Яркость уменьшается с увеличением частоты до тех пор, пока не будет достигнута частота прерывания , после чего она уменьшается быстрее. На том же изображении частота обрыва возникает, когда . Резкая частота разрыва возникает из-за того, что на очень высоких частотах электроны, испускающие фотоны, очень быстро теряют большую часть своей энергии. Резкое уменьшение числа высокоэнергетических электронов означает резкое уменьшение спектра.${\ displaystyle \ log \ nu = 3}$${\ displaystyle \ log \ nu = 7}$

Изменения наклона синхротронного спектра параметризуются спектральным индексом . Спектральный индекс, α, в заданном диапазоне частот, просто наклон на диаграмме против прогноза . (Конечно, чтобы α имело реальное значение, спектр должен быть почти прямой линией в рассматриваемом диапазоне.)${\ displaystyle \ log S}$${\ Displaystyle \ журнал \ ню}$

Уравнение излучения [ править ]

В модели простой струи одиночной однородной сферы наблюдаемая светимость связана с собственной светимостью как

${\ Displaystyle S_ {о} = S_ {е} D ^ {p} \ ,,}$

куда

${\ Displaystyle р = 3- \ альфа \ ,.}$

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 серию из трех эффектов:

• Релятивистская аберрация
• Замедление времени
• Сине- или красное смещение

Аберрация [ править ]

Аберрация - это изменение видимого направления объекта, вызванное относительным поперечным движением наблюдателя. В инерциальных системах она равна и противоположна световой временной поправке .

В повседневной жизни аберрация - явление хорошо известное. Представьте себе человека, стоящего под дождем в безветренный день. Если человек стоит на месте, то капли дождя пойдут по тропинке прямо к земле. Однако, если человек движется, например, в машине, будет казаться, что дождь приближается под углом. Это очевидное изменение направления падающих дождевых капель - аберрация.

Величина аберрации зависит от скорости излучаемого 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 излучения и 2) скорости наблюдателя во время поглощения.${\ displaystyle c}$

В случае релятивистской струи излучение (эмиссионная аберрация) создает впечатление, будто больше энергии направляется вперед по направлению, в котором движется струя. 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 в направлении движения. Таким образом, энергия «излучается» в этом направлении.

Количественно аберрация объясняет изменение светимости

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

Замедление времени [ править ]

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

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

Синее или красное смещение [ править ]

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

Синим смещением объясняется изменение наблюдаемой светимости

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

Инварианты Лоренца [ править ]

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

Терминология [ править ]

сияющий, сияющий

более короткие термины для "релятивистского излучения"

бета

отношение скорости реактивной струи к скорости света, иногда называемое релятивистской бета-версией

основной

область галактики вокруг центральной черной дыры

встречная струя

струя на дальней стороне источника, ориентированная близко к лучу зрения, может быть очень слабой и трудной для наблюдения

Фактор Доплера

математическое выражение, которое измеряет силу (или слабость) релятивистских эффектов в AGN , включая излучение, на основе скорости реактивной струи и ее угла по отношению к линии прямой видимости с Землей

плоский спектр

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

собственная светимость

светимость от струи в системе покоя струи

струя (часто называемая релятивистской струей )

высокоскоростной (близкий к c) поток плазмы, исходящий из полярного направления АЯГ

наблюдаемая светимость

светимость от 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 [ править ]

угол к прямой видимости с Землей

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

скорость струи

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

собственная светимость

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

наблюдаемая светимость

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

спектральный индекс

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

Скорость света

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

Математические выражения [ править ]

релятивистская бета

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

Фактор Лоренца

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

Фактор Доплера

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

См. Также [ править ]

• Астрофизический джет
• Список статей по физике плазмы
• Релятивистский эффект Доплера
• Релятивистская частица
• Релятивистская плазма
• Параметр релятивистского подобия
• Релятивистские волновые уравнения

Ссылки [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

• Подробное объяснение релятивистской аберрации