Релятивистское излучение

В физике скорости релятивистское излучение (также известное как доплеровское излучение, доплеровское усиление или эффект фар ) — это процесс, посредством которого релятивистские эффекты изменяют видимую светимость излучающего вещества, движущегося со скоростями, близкими к света . В астрономическом контексте релятивистское излучение обычно происходит в двух противоположно направленных релятивистских струях плазмы , исходящих из центрального компактного объекта , аккрецирующего материю. Аккрецирующие компактные объекты и релятивистские джеты используются для объяснения рентгеновских двойных систем , гамма-всплесков и, в гораздо большем масштабе, активных галактических ядер которых являются квазары ( особой разновидностью ).

Излучение влияет на видимую яркость движущегося объекта. Рассмотрим облако газа, движущееся относительно наблюдателя и излучающее электромагнитное излучение. Если газ движется к наблюдателю, он будет ярче, чем если бы он находился в состоянии покоя, но если газ удаляется, он будет казаться более тусклым. Величину эффекта иллюстрируют струи АЯГ галактик M87 и 3C 31 (см. изображения справа). У M87 есть два реактивных двигателя, направленные почти прямо на Землю и от нее; ясно видна струя, движущаяся к Земле (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 (помечены на нижнем рисунке) расположены примерно под прямым углом к нашему лучу зрения, и поэтому обе видимы. Верхняя струя на самом деле направлена немного дальше в сторону Земли и поэтому ярче. ^[2]

Релятивистски движущиеся объекты излучаются из-за множества физических эффектов. Световая аберрация приводит к тому, что большая часть фотонов излучается вдоль направления движения объекта. Эффект Доплера изменяет энергию фотонов, смещая их в красный или синий цвет. Наконец, временные интервалы, измеренные часами, движущимися рядом с излучающим объектом, отличаются от временных интервалов, измеренных наблюдателем на Земле, из-за эффектов замедления времени и времени прибытия фотонов. То, как все эти эффекты изменяют яркость или видимую светимость движущегося объекта, определяется уравнением, описывающим релятивистский эффект Доплера (именно поэтому релятивистское излучение также известно как доплеровское излучение).

Простая модель реактивного самолета

Самая простая модель струи — это модель, в которой одна однородная сфера движется к Земле почти со скоростью света. Эта простая модель также нереалистична, но она достаточно хорошо иллюстрирует физический процесс излучения.

Синхротронный спектр и спектральный индекс

Релятивистские джеты излучают большую часть своей энергии посредством синхротронного излучения . В нашей простой модели сфера содержит высокорелятивистские электроны и постоянное магнитное поле. Электроны внутри сгустка движутся со скоростью, лишь незначительно меньшей скорости света, и вращаются под действием магнитного поля. Каждое изменение направления электрона сопровождается выделением энергии в виде фотона. При достаточном количестве электронов и достаточно мощном магнитном поле релятивистская сфера может излучать огромное количество фотонов, от относительно слабых радиочастот до мощных рентгеновских фотонов.

На рисунке образца спектра показаны основные особенности простого синхротронного спектра. На низких частотах струйная сфера непрозрачна, и ее яркость увеличивается с частотой, пока не достигнет максимума и не начнет уменьшаться. В образце изображения эта пиковая частота возникает при $\log \nu =3$ . На частотах выше этой струйная сфера прозрачна. Яркость уменьшается с частотой до тех пор, пока не будет достигнута частота излома , после чего она падает быстрее. На том же изображении частота обрыва возникает, когда $\log \nu =7$ . Частота резкого сбоя возникает потому, что на очень высоких частотах электроны, испускающие фотоны, очень быстро теряют большую часть своей энергии. Резкое уменьшение числа электронов высоких энергий означает резкое уменьшение спектра.

Изменения наклона синхротронного спектра параметризуются спектральным индексом . Спектральный индекс α в заданном диапазоне частот — это просто наклон диаграммы $\log S$ против. $\log \nu$ . (Конечно, чтобы α имело реальное значение, спектр должен быть почти прямой линией в рассматриваемом диапазоне.)

Уравнение излучения

В простой струйной модели одной однородной сферы наблюдаемая светимость связана с собственной светимостью соотношением

S_{o}=S_{e}D^{p}\,,

где

p=3-\alpha \,.

Таким образом, наблюдаемая светимость зависит от скорости струи и угла луча зрения посредством доплеровского фактора: $D$ , а также от свойств внутри струи, что показывает показатель степени со спектральным индексом.

Уравнение излучения можно разбить на серию из трех эффектов:

Релятивистская аберрация
Замедление времени
Сине- или красное смещение

Аберрация

объекта, Аберрация — это изменение видимого направления вызванное относительным поперечным движением наблюдателя. В инерциальных системах она равна и противоположна поправке светового времени .

В повседневной жизни аберрации – широко известное явление. Представьте себе человека, стоящего под дождем в безветренный день. Если человек стоит на месте, то капли дождя будут следовать по пути, ведущему прямо к земле. Однако если человек движется, например, в машине, дождь будет казаться приближающимся под углом. Это кажущееся изменение направления падающих капель дождя является аберрацией.

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 $c$ . Подобно классическому и релятивистскому эффектам, аберрация зависит от: 1) скорости излучателя в момент излучения и 2) скорости наблюдателя во время поглощения.

В случае релятивистской струи излучение (аберрация излучения) создаст впечатление, будто больше энергии направляется вперед, в направлении движения струи. В простой модели струи однородная сфера будет излучать энергию одинаково во всех направлениях в остальной системе отсчета сферы. В системе покоя Земли движущаяся сфера будет излучать большую часть своей энергии вдоль направления своего движения. Таким образом, энергия «излучается» в этом направлении.

Количественно аберрация объясняет изменение светимости

D^{2}\,.

Замедление времени

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

D^{1}\,.

Сине- или красное смещение

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

Blueshifting объясняет изменение наблюдаемой светимости

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

Лоренц-инварианты

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

Терминология

сияющий, сияющий: более короткие термины для «релятивистского излучения»
бета: отношение скорости струи к скорости света, иногда называемое «релятивистской бета»
основной: область галактики вокруг центральной черной дыры
встречный реактивный самолет: струя на дальней стороне источника, ориентированного близко к лучу зрения, может быть очень слабой и ее трудно наблюдать
Доплеровский фактор: математическое выражение, которое измеряет силу (или слабость) релятивистских эффектов в АЯГ , включая излучение, на основе скорости струи и ее угла к лучу видимости с Землей
плоский спектр: термин, обозначающий нетепловой спектр , который излучает большое количество энергии на более высоких частотах по сравнению с более низкими частотами.
собственная светимость: светимость джета джета в системе покоя
струя (часто называемая « релятивистской струей »): высокоскоростной (близкий к c) поток плазмы, исходящий из полярного направления АЯГ
наблюдаемая светимость: светимость Земли джета в системе покоя
спектральный индекс: мера того, как нетепловой спектр меняется с частотой. Чем меньше α , тем значительнее энергия на более высоких частотах. Обычно α находится в диапазоне от 0 до 2.
крутой спектр: термин, обозначающий нетепловой спектр , который излучает мало энергии на более высоких частотах по сравнению с более низкими частотами.

Физические величины

угол прямой видимости с Землей: $\theta \,\!$
скорость струи: $v_{j}\,\!$
собственная светимость: $S_{e}\,\!$ (иногда называемая излучаемой светимостью)
наблюдаемая светимость: $S_{o}\,\!$
спектральный индекс: $\alpha \,\!$ где $S\propto \nu ^{\alpha }\,\!$
Скорость света: $c\,\!=2.9979\times 10^{8}$ РС