Сверхсветовое движение - Superluminal motion

Сверхсветовое движение

В астрономия, сверхсветовое движение очевидно быстрее света движение замечено в некоторыхрадиогалактики, BL Lac объекты, квазары, блазары а недавно также в некоторых галактических источниках, называемых микроквазары. Всплески энергии, движущиеся по релятивистские струи испускаемый из этих объектов может иметь собственное движение что кажется больше скорости света. Считается, что все эти источники содержат черная дыра, отвечающий за выброс массы с большой скоростью. Световое эхо может также вызывать видимое сверхсветовое движение.^[1]

Объяснение

Сверхсветовое движение возникает как частный случай более общего явления, возникающего из разницы между кажущейся 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, равна больше чем реальная скорость. Соответственно, если объект удаляется от Земли, приведенный выше расчет занижает реальную 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, чем скорость света, в результате вышеупомянутого эффекта. По мере того, как фактическая скорость объекта приближается к скорости света, эффект наиболее выражен, поскольку компонент 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 - в сторону Земли. Если Доплеровские сдвиги наблюдаются в обоих источниках, скорость и расстояние могут быть определены независимо от других наблюдений.

Некоторые доказательства обратного

Еще в 1983 году на «сверхсветовой мастерской», проходившей в г. Обсерватория Джодрелл Бэнк, имея в виду семь известных тогда сверхсветовых струй,

Шилицци ... представил карты с разрешением в угловые секунды [показывающие крупномасштабные внешние струи] ... которые ... выявили внешнюю двойную структуру во всех, кроме одного (3C 273 ) 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 (внешняя) струя квазара 3C 273 почти коллинеарна нашей прямой видимости. Сверхсветовое движение до ~ 9,6c наблюдалась вдоль (внутренней) струи этого квазара.^[5][6][7]

Сверхсветовое движение до 6c наблюдается во внутренних частях струи M87. Чтобы объяснить это в рамках модели «узкого угла», струя должна находиться не более чем на 19 ° от нашей прямой видимости.^[8] Но данные свидетельствуют о том, что на самом деле струя находится под углом примерно 43 ° к нашей прямой видимости.^[9] Позже та же группа ученых пересмотрела это открытие и выступила в пользу сверхсветового движения массы, в которое встроена 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

Модель определяет разницу между информацией, переносимой волной при скорости ее сигнала. c, а также информацию о кажущейся скорости изменения положения волнового фронта. Если предусмотрен световой импульс в волноводе (стеклянной трубке), перемещающемся через поле зрения наблюдателя, импульс может перемещаться только на c через руководство. Если этот импульс также направлен на наблюдателя, он получит эту волновую информацию на 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 соблюдается во всех локальных областях.

Вывод кажущейся скорости

А релятивистская струя выходит из центра активное ядро ​​галактики движется вдоль AB со скоростью v. Наблюдаем за джетом из точки О. На время ${ displaystyle t_ {1}}$ световой луч покидает струю из точки A, а другой луч покидает момент времени ${ displaystyle t_ {2} = t_ {1} + delta t}$ из точки B. Наблюдатель в точке O принимает лучи в момент времени ${ displaystyle t_ {1} ^ { prime}}$ и ${ displaystyle t_ {2} ^ { prime}}$ соответственно. Угол ${ displaystyle phi}$ достаточно мал, чтобы два отмеченных расстояния ${ displaystyle D_ {L}}$ можно считать равным.

${ Displaystyle AB = v , delta t}$

${ Displaystyle AC = v , дельта т соз тета}$

${ Displaystyle ВС = v , дельта т грех тета}$

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

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

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

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

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

${ Displaystyle BC = D_ {L} грех фи приблизительно фи D_ {L} = v , delta t sin theta Rightarrow phi D_ {L} = v sin theta { frac { delta t '} {1- beta cos theta}}}$

Кажущаяся поперечная скорость по ${ displaystyle CB}$, ${ displaystyle v _ { text {T}} = { frac { phi D_ {L}} { delta t '}} = { frac {v sin theta} {1- beta cos theta }}}$

${ displaystyle beta _ { text {T}} = { frac {v _ { text {T}}} {c}} = { frac { beta sin theta} {1- beta cos theta}}.}$

Кажущаяся поперечная скорость максимальна для угла (${ displaystyle 0 < beta <1}$ используется)

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

${ Displaystyle Rightarrow бета соз тета (1- бета соз тета) ^ {2} = (1- бета соз тета) ( бета грех тета) ^ {2}}$

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

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

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

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

История

Сверхсветовое движение впервые наблюдал в 1902 г. Якобус Каптейн в выбросе новая звезда Г.К. Персей, который взорвался в 1901 году.^[12] Его открытие было опубликовано в Немецкий журнал Astronomische Nachrichten англоговорящие астрономы уделяли ему мало внимания вплоть до многих десятилетий спустя.^[13][14]

В 1966 г. Мартин Рис указал, что «объект, движущийся релятивистски в подходящих направлениях, может показаться удалённому 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 применения новой техники, получившей название Интерферометрия с очень длинной базой, что позволило астрономам устанавливать пределы углового размера компонентов и определять положения с точностью до милли-дуговые секунды, и, в частности, для определения изменения положения на небе, называемого правильные 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 в период с 1968 по 1970 годы (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 г.^[19]) пришел к выводу, что их измерения предоставили свидетельство релятивистского расширения этой компоненты. Эта интерпретация, хотя отнюдь не уникальна, позже была подтверждена, и, оглядываясь назад, кажется справедливым сказать, что их эксперимент был первым интерферометрическим измерением сверхсветового расширения.^[20]

В 1994 году был установлен рекорд галактической скорости с открытием сверхсветового источника в наша собственная галактика, то космический источник рентгеновского излучения 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. arcsec.^[21] Из-за аналогии с квазарами этот источник получил название микроквазар.

Смотрите также

• Космические лучи сверхвысокой энергии
• Быстрее света
• Сверхсветовая коммуникация
• Квантовая запутанность

Заметки

внешние ссылки

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