Сверхсветовое движение

Сверхсветовое движение

В астрономии превышающее сверхсветовое движение — это движение, по-видимому, скорость света, наблюдаемое в некоторых радиогалактиках , объектах BL Lac , квазарах , блазарах, а в последнее время также в некоторых галактических источниках, называемых микроквазарами . Всплески энергии, распространяющиеся вдоль релятивистских струй , испускаемых этими объектами, могут иметь собственное движение , превышающее скорость света . Считается, что все эти источники содержат черную дыру , ответственную за выброс массы на высоких скоростях. Световое эхо также может вызывать кажущееся сверхсветовое движение.

Объяснение

Сверхсветовое движение возникает как частный случай более общего явления, возникающего из-за разницы между кажущейся скоростью удаленных объектов, движущихся по небу, и их фактической скоростью, измеренной в источнике.

При отслеживании движения таких объектов по небу их скорость можно просто рассчитать, разделив расстояние на время. Если известно расстояние объекта от Земли, угловую скорость объекта можно измерить, а скорость можно просто вычислить по формуле:

кажущаяся скорость = расстояние до объекта × угловая скорость.

Этот расчет не дает фактической скорости объекта, поскольку не учитывает тот факт, что скорость света конечна. При измерении движения удаленных объектов по небу между тем, что наблюдалось, 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 расчете связана с тем, что, когда компонент скорости объекта направлен к Земле, по мере приближения объекта к Земле временная задержка становится меньше. Это означает, что кажущаяся скорость, рассчитанная выше, больше фактической скорости. Соответственно, если объект удаляется от Земли, приведенный выше расчет занижает реальную скорость.

Этот эффект сам по себе обычно не приводит к наблюдению сверхсветового движения. Но когда фактическая скорость объекта близка к скорости света, в результате вышеупомянутого эффекта кажущаяся скорость может оказаться большей, чем скорость света. Когда фактическая скорость объекта приближается к скорости света, эффект наиболее выражен по мере увеличения составляющей скорости по направлению к Земле. Это означает, что в большинстве случаев «сверхсветовые» объекты движутся почти прямо к Земле. Однако это не является строго необходимым, и сверхсветовое движение все еще можно наблюдать у объектов с заметными скоростями, не направленными к Земле.

Сверхсветовое движение чаще всего наблюдается в двух противоположных струях, исходящих из ядра звезды или черной дыры. При этом 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

Еще в 1983 году на «сверхсветовом семинаре», проходившем в обсерватории Джодрелл-Бэнк , имея в виду семь известных тогда сверхсветовых джетов,

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 источниках, ). Смущает то, что средний проецируемый размер [на небо] внешней структуры не меньше, чем размер обычной популяции радиоисточников.

Другими словами, струи, очевидно, в среднем не находятся близко к лучу видимости Земли. (Если бы они были таковыми, их кажущаяся длина казалась бы намного короче.)

В 1993 году Томсон и др. предположил, что (внешняя) струя квазара 3C 273 почти коллинеарна лучу зрения Земли. сверхсветовое движение со скоростью до ~9,6 с . Вдоль (внутренней) струи этого квазара наблюдалось

наблюдалось сверхсветовое движение до 6 с Во внутренних частях джета М87 . Чтобы объяснить это с точки зрения «узкоугольной» модели, струя должна находиться не более чем в 19 ° от луча зрения Земли. Но данные свидетельствуют о том, что на самом деле реактивный самолет находится под углом около 43° к лучу видимости Земли. Позже та же группа учёных пересмотрела это открытие и высказалась в пользу сверхсветового объёмного движения, в котором заключена струя.

Чтобы попытаться решить такие проблемы, были выдвинуты предположения о турбулентности и/или «широких конусах» во внутренних частях струй, и, похоже, этому есть некоторые доказательства.

Скорость сигнала

Модель определяет разницу между информацией, которую несет волна со скоростью ее сигнала c , и информацией о видимой скорости изменения положения волнового фронта. Если представить световой импульс в волноводе (стеклянной трубке), движущемся поперек поля зрения наблюдателя, то импульс может двигаться только в точке с через волновод. Если этот импульс также направлен на наблюдателя, он получит эту волновую информацию в точке c . Если волновод перемещается в том же направлении, что и импульс, информация о его положении, передаваемая наблюдателю в виде боковых излучений импульса, изменяется. Он может рассматривать скорость изменения положения как очевидно представляющую движение быстрее, чем c при расчете, как край тени на искривленной поверхности. Это другой сигнал, содержащий другую информацию, чем пульс, и он не нарушает второй постулат специальной теории относительности. c строго поддерживается во всех локальных полях.

скорости

Релятивистская струя , выходящая из центра активного ядра галактики, движется вдоль AB со скоростью v и наблюдается из точки О. В момент времени $t_{1}$ луч света выходит из струи из точки А, а через некоторое время выходит еще один луч $t_{2}=t_{1}+\delta t$ из точки B. Наблюдатель в точке O принимает лучи в момент времени $t_{1}^{\prime }$ и $t_{2}^{\prime }$соответственно. Угол $\phi$ достаточно мал, чтобы два отмеченных расстояния $D_{L}$ можно считать равными.

$AB=v\,\delta t$

$AC=v\,\delta t\cos \theta$

$BC=v\,\delta t\sin \theta$

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

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

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

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

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

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

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

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

Кажущаяся поперечная скорость максимальна при угле ( $0<\beta <1$ используется)

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

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

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

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

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

Если $\gamma \gg 1$ (т.е. когда скорость струи близка к скорости света), то $\beta _{\text{T}}^{\text{max}}>1$ несмотря на то, что $\beta <1$. И конечно $\beta _{\text{T}}>1$ означает, что кажущаяся поперечная скорость вдоль $CB$, единственная скорость на небе, которую можно измерить, больше скорости света в вакууме, т. е. движение, по-видимому, сверхсветовое.

История

Кажущееся сверхсветовое движение в слабой туманности, окружающей Новую Персею, ​​впервые наблюдал в 1901 году Чарльз Диллон Перрин . "Мистер. Фотография Перрина от 7 и 8 ноября 1901 года, сделанная с помощью рефлектора Кроссли, привела к замечательному открытию, что массы туманностей, по-видимому, двигались со скоростью, возможно, в несколько сотен раз большей, чем наблюдалось до сих пор». «Используя 36-дюймовый. телескоп (Кроссли) он обнаружил кажущееся сверхсветовое движение расширяющегося светового пузыря вокруг Новой Персеи (1901 г.). Предполагалось, что это туманность, но ее внешний вид на самом деле был вызван светом новой звезды, отраженным от окружающей межзвездной среды, когда свет двигался наружу от звезды. Перрин изучила это явление, используя фотографические, спектроскопические и поляризационные методы».

Сверхсветовое движение впервые наблюдалось в 1902 году Якобом Каптейном в выбросах новой Г. К. Персея , взорвавшейся в 1901 году. Его открытие было опубликовано в немецком журнале Astronomische Nachrichten и привлекло мало внимания англоязычных астрономов лишь много десятилетий спустя.

В 1966 году Мартин Рис отметил, что «объект, движущийся релятивистски в подходящих направлениях, может показаться удаленному наблюдателю имеющим поперечную скорость, намного превышающую скорость света». В 1969 и 1970 годах такими источниками были обнаружены очень далекие астрономические радиоисточники, такие как радиогалактики и квазары. и были названы сверхсветовыми источниками. Открытие стало результатом новой техники под названием « Интерферометрия со сверхдлинной базой» , которая позволила астрономам устанавливать пределы углового размера компонентов и определять положения с точностью до миллиугловых секунд , и в частности определять изменение положений на небе. , называемые собственными движениями , обычно за период в несколько лет. Кажущаяся скорость получается путем умножения наблюдаемого собственного движения на расстояние, которое может в 6 раз превышать скорость света.

Во введении к семинару по сверхсветовым радиоисточникам Пирсон и Зенсус сообщили:

Первые признаки изменений в структуре некоторых источников были получены американо-австралийской группой в серии транстихоокеанских РСДБ-наблюдений в период с 1968 по 1970 годы (Губбай и др., 1969). После первых экспериментов они осознали потенциал следящих антенн НАСА для РСДБ-измерений и установили интерферометр, работающий между Калифорнией и Австралией. Изменение видимости источника, которое они измерили для 3C 279 , в сочетании с изменениями общей плотности потока, показало, что компонент, впервые замеченный в 1969 году, достиг диаметра около 1 миллисекунды дуги, что подразумевает расширение с видимой скоростью, по крайней мере вдвое превышающей скорость света. Зная о модели Риса, (Моффет и др., 1972) пришли к выводу, что их измерения свидетельствуют о релятивистском расширении 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.

В 1994 году был установлен галактический рекорд скорости с открытием в Млечном Пути сверхсветового источника — космического рентгеновского источника GRS 1915+105 . Расширение произошло в гораздо более короткие сроки. Было замечено, что несколько отдельных сгустков попарно расширялись в течение нескольких недель, обычно на 0,5 угловой секунды . По аналогии с квазарами этот источник назвали микроквазаром .

См. также

• ЭПР-парадокс
• Квантовая запутанность
• Сверхсветовая связь
• Космические лучи сверхвысокой энергии

Внешние ссылки

• Более подробное объяснение.
• Математический вывод сверхсветового движения.
• Flash-апплет сверхсветового движения. Архивировано 5 июля 2013 г. в Wayback Machine.