Релятивистское сияние - Relativistic beaming

Только одна струя видна в M87.

Две струи видны в 3C 31.

Релятивистское сияние (также известен как Доплеровское излучение, доплеровское усиление, или эффект фар) - это процесс, посредством которого релятивистские эффекты изменить видимую яркость излучаемого вещества, которое движется со скоростью, близкой к скорость света. В астрономическом контексте релятивистское излучение обычно происходит в двух противоположных направлениях. релятивистские струи из плазма которые происходят из центрального компактный объект то есть срастание иметь значение. Аккреция компактных объектов и релятивистских джетов призвана объяснить рентгеновские двойные системы, гамма-всплески, и, в гораздо большем масштабе, активные галактические ядра (квазары также связаны с аккрецирующим компактным объектом, но считаются просто особой разновидностью активных ядер галактик, или AGN ).

Излучение влияет на видимую яркость движущегося объекта точно так же, как и направление, в котором корабль видит свет, исходящий от маяк влияет на воспринимаемую яркость этого света: свет кажется тусклым или невидимым для корабля, за исключением случаев, когда вращающийся маяк направлен на него, когда он тогда кажется ярким. Этот так называемый эффект маяка иллюстрирует важность направления движения относительно наблюдателя. Представьте 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 движется в сторону, он будет казаться более тусклым. Масштаб эффекта иллюстрируется AGN струи галактик M87 и 3C 31 (см. изображения справа). M87 имеет двойные реактивные двигатели, направленные почти прямо на Землю и от нее; струя, движущаяся к Земле, хорошо видна (длинная тонкая голубоватая деталь на верхнем изображении), в то время как другая струя настолько тусклее, что ее не видно.^[1] В 3C 31 обе форсунки (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. Световая аберрация заставляет большую часть фотонов испускаться вдоль направления движения объекта. В Эффект Допплера изменяет энергию фотонов, сдвигая их в красный или синий цвет. Наконец, временные интервалы, измеряемые часами, движущимися вдоль излучающего объекта, отличаются от интервалов, измеренных наблюдателем на Земле из-за замедление времени и эффекты времени прибытия фотона. Как все эти эффекты изменяют яркость или кажущуюся яркость движущегося объекта, определяется уравнением, описывающим релятивистский эффект Доплера (вот почему релятивистское излучение также известно как доплеровское излучение).

Простая модель струи

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

Синхротронный спектр и спектральный индекс

Релятивистские джеты выделяют 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 это пиковая частота происходит в ${ displaystyle log nu = 3}$ . На частотах выше этой сфера струи прозрачна. Светимость уменьшается с частотой до тех пор, пока частота перерывов достигается, после чего снижается быстрее. На том же изображении частота обрыва возникает, когда ${ displaystyle log nu = 7}$ . 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.

Изменения наклона синхротронного спектра параметризованы с помощью спектральный индекс. Спектральный индекс α в заданном диапазоне частот - это просто наклон на диаграмме ${ displaystyle log S}$ против. ${ Displaystyle журнал ню}$ . (Конечно, для того, чтобы α имело реальное значение, спектр должен быть почти прямой линией в рассматриваемом диапазоне.)

Уравнение излучения

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, ${ displaystyle D}$ , а также на свойствах внутри струи, о чем свидетельствует показатель степени со спектральным индексом.

Уравнение излучения можно разбить на серию из трех эффектов:

Релятивистская аберрация
Замедление времени
Синее или красное смещение

Аберрация

Аберрация - это изменение объекта кажущееся направление вызвано относительным поперечным движением наблюдателя. В инерциальных системах он равен и противоположен коррекция светового времени.

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 ${ displaystyle c}$ . Подобно классическим и релятивистским эффектам, аберрация зависит от: 1) скорости излучателя во время излучения и 2) скорости наблюдателя во время поглощения.

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

Замедление времени - хорошо известное следствие специальная теория относительности и учитывает изменение наблюдаемой светимости

{ Displaystyle D ^ {1} ,.}

Сине- или красное смещение

Синий- или же 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

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

Терминология

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 черная дыра
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 к линии прямой видимости с Землей
плоский спектр: термин для нетеплового спектр который излучает много энергии на высоких частотах по сравнению с более низкими частотами
собственная светимость: в яркость от струи в системе покоя струи
струя (часто называемая 'релятивистская струя '): высокоскоростной (близкий к c) поток плазмы, исходящий из полярного направления АЯГ
наблюдаемая светимость: в яркость из джета в кадре покоя Земли
спектральный индекс: мера того, как нетепловой спектр меняется с частотой. Меньший α , тем значительнее энергия на более высоких частотах. Обычно α находится в диапазоне от 0 до 2.
крутой спектр: термин для нетеплового спектр который излучает меньше энергии на высоких частотах по сравнению с более низкими частотами

Физические величины

угол к прямой видимости с Землей: ${ Displaystyle theta , !}$
скорость струи: ${ Displaystyle v_ {j} , !}$
собственная светимость: ${ Displaystyle S_ {е} , !}$ (иногда называется излучаемой светимостью)
наблюдаемая светимость: ${ Displaystyle S_ {о} , !}$
спектральный индекс: ${ Displaystyle альфа , !}$ куда ${ Displaystyle S propto nu ^ { alpha} , !}$
Скорость света: ${ Displaystyle с , ! = 2,9979 раз 10 ^ {8}}$ РС

Математические выражения

релятивистская бета: ${ displaystyle beta = { frac {v_ {j}} {c}}}$
Фактор Лоренца: ${ displaystyle gamma = { frac {1} { sqrt {1- beta ^ {2}}}}}$
Фактор Доплера: ${ Displaystyle D = { гидроразрыва {1} { gamma (1- beta cos theta)}}}$

Смотрите также

внешняя ссылка

Подробное объяснение релятивистской аберрации

[1] Sparks, W. B .; и другие. (1992). «Контрджет в эллиптической галактике M87». Природа. 355 (6363): 804–806. Bibcode:1992Натура.355..804С. Дои:10.1038 / 355804a0.

[2] Laing, R .; А. Х. Брайдл (2002). «Релятивистские модели и поле скорости струи в радиогалактике 3C 31». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества. 336 (1): 328–352. arXiv:Astro-ph / 0206215. Bibcode:2002МНРАС.336..328Л. Дои:10.1046 / j.1365-8711.2002.05756.x.

[1]

[2]