Сверхсветовое движение

Сверхсветовое движение

В астрономии , сверхсветовые движения являются , по- видимому быстрее, чем свет движений видели в некоторых радиогалактика , объекты BL Lac , квазары , блазары и в последнее время также в некоторых галактических источниках , называемых микроквазарами . Всплески энергии, движущиеся вдоль релятивистских струй, излучаемых этими объектами, могут иметь собственное движение, которое кажется больше скорости света. Считается, что все эти источники содержат черную дыру , ответственную за выброс массы с высокими скоростями. Световое эхо также может вызывать видимое сверхсветовое движение.^[1]

Объяснение [ править ]

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

Отслеживая движение таких объектов по небу, мы можем сделать наивный расчет их скорости простым делением расстояния на расчет времени. Если расстояние до объекта от Земли известно, угловая скорость объекта может быть измерена, и мы можем наивно вычислить скорость с помощью:

${\ displaystyle visible \ speed = расстояние \ до \ объекта \ умножить на угловую \ скорость.}$

Этот расчет не дает реальной скорости объекта, так как не учитывает тот факт, что скорость света конечна. Когда мы измеряем движение далеких объектов по небу, между тем, что мы наблюдаем, и тем, что произошло, существует большая временная задержка из-за большого расстояния, которое свет от удаленного объекта должен пройти, чтобы достичь нас. Ошибка в приведенном выше наивном вычислении происходит из-за того, что, когда объект имеет 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.

Сам по себе этот эффект обычно не приводит к наблюдению сверхсветового движения. Но когда фактическая скорость объекта близка к скорости света, видимая скорость может наблюдаться как больше скорости света в результате вышеупомянутого эффекта. По мере того, как фактическая скорость объекта приближается к скорости света, эффект наиболее выражен, поскольку составляющая скорости по направлению к Земле увеличивается. Это означает, что в большинстве случаев «сверхсветовые» объекты движутся почти прямо к Земле. Однако в этом нет строгой необходимости, и сверхсветовое движение все еще можно наблюдать в объектах с заметными скоростями, не направленными к Земле. ^[3]

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

Некоторые доказательства обратного [ править ]

Еще в 1983 году на "сверхсветовом семинаре", проведенном в обсерватории Джодрелл-Бэнк , речь шла о семи известных тогда сверхсветовых струях.

Шилицци ... представил карты с разрешением в угловые секунды [показывающие крупномасштабные внешние струи] ... которые ... выявили внешнюю двойную структуру во всех, кроме одного ( 3C 273 ) из известных сверхсветовых источников. Смущает то, что средний проектируемый размер [в небе] внешней структуры не меньше, чем у обычного населения радиоисточников. ^[4]

Другими словами, очевидно, что в среднем струи не находятся близко к нашей прямой видимости. (Их кажущаяся длина казалась бы намного короче, если бы они были такими.)

В 1993 году Томсон и др. предположил, что (внешний) джет квазара 3C 273 почти коллинеарен нашему лучу зрения. Вдоль (внутренней) струи этого квазара наблюдалось сверхсветовое движение до ~ 9,6 с . ^{[5] [6] [7]}

Во внутренних частях струи M87 наблюдалось сверхсветовое движение до 6 c . Чтобы объяснить это в рамках модели «узкого угла», струя должна располагаться не более чем на 19 ° от нашей прямой видимости. ^[8] Однако данные свидетельствуют о том, что на самом деле струя находится под углом примерно 43 ° к нашей прямой видимости. ^[9] Та же группа ученых позже пересмотрела это открытие и аргументировала это в пользу сверхсветового движения массы, в которое погружена струя. ^[10]

Предположения о турбулентности и / или «широких конусах» во внутренних частях форсунок были выдвинуты, чтобы попытаться решить такие проблемы, и, похоже, есть некоторые доказательства этому. ^[11]

Скорость сигнала [ править ]

Модель определяет разницу между информацией, переносимой волной при скорости ее сигнала c , и информацией о кажущейся скорости изменения положения фронта волны. Если световой импульс предусмотрен в волноводе (стеклянной трубке), перемещающемся через поле зрения наблюдателя, импульс может перемещаться только в точке c через волновод. Если этот импульс также направлен на наблюдателя, он получит информацию об этой волне в точке c . Если волновод перемещается в том же направлении, что и импульс, информация о его положении, передаваемая наблюдателю в виде боковых выбросов от импульса, изменяется. Он может видеть скорость изменения положения как явно представляющую движение быстрее, чем c.при расчете, как край тени на изогнутой поверхности. Это сигнал, отличный от импульса, содержащий иную информацию, и он не нарушает второй постулат специальной теории относительности. c строго поддерживается во всех локальных полях.

Вывод кажущейся скорости [ править ]

Релятивистская струя выходит из центра с активным галактическим ядром движется вдоль АВ со скоростью V . Мы наблюдаем за струей из точки O. В момент времени луч света покидает струю из точки A, а другой луч покидает во время из точки B. Наблюдатель в точке O принимает лучи в момент 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}}$

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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)${\displaystyle 0<\beta <1}$

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

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

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

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

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

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

История [ править ]

Сверхсветовое движение впервые наблюдал в 1902 году Якоб Каптейн в выбросе новой звезды GK Persei , которая взорвалась в 1901 году. ^[12] Его открытие было опубликовано в немецком журнале Astronomische Nachrichten и привлекло мало внимания англоязычных астрономов до многих десятилетия спустя. ^{[13] [14]}

В 1966 году Мартин Рис указал, что «объект, движущийся релятивистски в подходящих направлениях, может показаться удаленному наблюдателю имеющим поперечную скорость, намного превышающую скорость света». ^[15] В 1969 и 1970 годах такие источники были обнаружены как очень далекие астрономические радиоисточники, такие как радиогалактики и квазары, ^{[16] [17] [18]} и были названы сверхсветовыми источниками. Открытие стало результатом новой техники, называемой интерферометрией с очень длинной базой , которая позволила астрономам устанавливать пределы углового размера компонентов и определять положение с точностью до миллиарда секунд , и, в частности, определять изменение положения на небе. , называетсяправильные движения , обычно за годы. Кажущаяся скорость получается путем умножения наблюдаемого собственного движения на расстояние, которое может быть в 6 раз больше скорости света.

Во введении к семинару по сверхсветовым радиоисточникам Пирсон и Зенсус сообщили

Первые указания на изменения в структуре некоторых источников были получены американо-австралийской группой в серии наблюдений за пределами Тихого океана РСДБ между 1968 и 1970 годами (Gubbay et al. 1969). ^[16] После первых экспериментов они осознали потенциал отслеживающих антенн НАСА для РСДБ-измерений и создали интерферометр, работающий между Калифорнией и Австралией. Изменение видимости источника, которое они измерили для 3C 279 , в сочетании с изменениями в общей плотности потока, показали, что компонент, впервые замеченный в 1969 году, достиг диаметра около 1 миллисекунды дуги, что означает расширение с кажущейся скоростью, по крайней мере в два раза превышающей скорость. света. Зная о модели Риса, ^[15] (Моффет и др., 1972) ^[19]пришли к выводу, что их измерения предоставили доказательства релятивистского расширения этого компонента. Эта интерпретация, хотя и не уникальная, позже была подтверждена, и, оглядываясь назад, кажется справедливым сказать, что их эксперимент был первым интерферометрическим измерением сверхсветового расширения. ^[20]

В 1994 году галактический рекорд скорости был достигнут с открытием сверхсветового источника в нашей собственной галактике , космического рентгеновского источника GRS 1915 + 105 . Расширение произошло в гораздо более короткие сроки. Было замечено, что несколько отдельных капель попарно расширяются в течение недель, как правило, на 0,5 угловой секунды . ^[21] Из-за аналогии с квазарами этот источник был назван микроквазаром .

См. Также [ править ]

• Квантовая запутанность
• Сверхсветовая коммуникация
• Космические лучи сверхвысокой энергии

Примечания [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

• Более подробное объяснение.
• Математический вывод сверхсветового движения.
• Апплет Superluminal Motion Flash.