Relativistické paprsky - Relativistic beaming

V jednotce je viditelný pouze jeden paprsek M87.

Dva trysky jsou viditelné v 3C 31.

Relativistické paprsky (také známý jako Dopplerovy paprsky, Dopplerovy zesílení, nebo efekt světlometů) je proces, kterým relativistické efekty upravit zdánlivou svítivost emitujících látek, které se pohybují rychlostí blízkou rychlost světla. V astronomickém kontextu se relativistické paprsky běžně vyskytují ve dvou protilehlých směrech relativistické trysky z plazma které pocházejí z ústředí kompaktní objekt to je accreting hmota. K vysvětlení se používají akumulační kompaktní objekty a relativistické trysky rentgenové binární soubory, záblesky gama záření, a v mnohem větším měřítku aktivní galaktická jádra (kvasary jsou také spojeny s narůstajícím kompaktním objektem, ale považují se za pouhou konkrétní paletu aktivních galaktických jader nebo AGN ).

Vyzařování paprsků ovlivňuje zdánlivou jasnost pohybujícího se objektu stejným způsobem jako směr, kterým loď vidí světlo vycházející z maják ovlivňuje vnímaný jas tohoto světla: světlo se pro loď jeví jako slabé nebo neviditelné, kromě případů, kdy je rotující maják směrován k ní, když se pak jeví jako jasný. Tento takzvaný majákový efekt ilustruje důležitost směru pohybu vzhledem k pozorovateli. Uvažujme oblak plynu pohybující se relativně k pozorovateli a emitující elektromagnetické záření. Pokud se plyn pohybuje směrem k pozorovateli, bude jasnější, než kdyby byl v klidu, ale pokud se plyn pohybuje pryč, bude vypadat slabší. Velikost účinku je ilustrována pomocí AGN trysky galaxií M87 a 3C 31 (viz obrázky vpravo). M87 má dvojité trysky zaměřené téměř přímo k Zemi a od Země; paprsek pohybující se k Zemi je jasně viditelný (dlouhá, tenká namodralá ryska na horním obrázku), zatímco druhý paprsek je mnohem slabší, že není viditelný.^[1] V 3C 31 jsou oba trysky (označené na dolním obrázku) zhruba v pravém úhlu k naší přímce, a proto jsou oba viditelné. Horní paprsek ve skutečnosti směřuje o něco více ve směru Země, a je proto jasnější.^[2]

Relativisticky se pohybující objekty jsou paprskem kvůli řadě fyzikálních efektů. Slabá aberace způsobí, že většina fotonů bude emitována ve směru pohybu objektu. The Dopplerův jev mění energii fotonů jejich červeným nebo modrým posunem. Konečně, časové intervaly měřené hodinami pohybujícími se podél vysílajícího objektu se liší od časových intervalů měřených pozorovatelem na Zemi kvůli dilatace času a efekty času příchodu fotonu. Jak všechny tyto efekty mění jas nebo zdánlivou svítivost pohybujícího se objektu, je určeno rovnicí popisující relativistický Dopplerův jev (což je důvod, proč je relativistické vyzařování známé také jako Dopplerovo vyzařování).

Jednoduchý tryskový model

Nejjednodušší model pro tryskový je ten, kde jediná homogenní koule cestuje k Zemi téměř rychlostí světla. Tento jednoduchý model je také nereálný, ale docela dobře ilustruje fyzický proces paprsků.

Synchrotronové spektrum a spektrální index

Relativistické trysky emitují většinu své energie prostřednictvím emise synchrotronu. V našem jednoduchém modelu koule obsahuje vysoce relativistické elektrony a stabilní magnetické pole. Elektrony uvnitř skvrny se pohybují rychlostí jen nepatrným zlomkem pod rychlostí světla a jsou magnetickým polem bičovány. Každá změna směru elektronem je doprovázena uvolňováním energie ve formě fotonu. S dostatkem elektronů a dostatečně silným magnetickým polem může relativistická sféra emitovat obrovské množství fotonů, od těch s relativně slabými vysokými frekvencemi až po silné rentgenové fotony.

Obrázek spektra vzorku ukazuje základní vlastnosti jednoduchého synchrotronového spektra. Při nízkých frekvencích je trysková koule neprůhledná a její jas se zvyšuje s frekvencí, dokud nedosáhne vrcholu a nezačne klesat. Na ukázkovém obrázku toto maximální frekvence dochází v ${ displaystyle log nu = 3}$ . Při vyšších frekvencích je proudová koule průhledná. Světelnost klesá s frekvencí až do a frekvence přerušení je dosaženo, poté klesá rychleji. Ve stejném obraze se frekvence přerušení objeví, když ${ displaystyle log nu = 7}$ . K ostré zlomové frekvenci dochází, protože při velmi vysokých frekvencích elektrony, které emitují fotony, ztratí většinu své energie velmi rychle. Prudký pokles počtu vysokoenergetických elektronů znamená prudký pokles spektra.

Změny sklonu v synchrotronovém spektru jsou parametrizovány pomocí a spektrální index. Spektrální index, α, v daném frekvenčním rozsahu je jednoduše sklon na diagramu ${ displaystyle log S}$ vs. ${ displaystyle log nu}$ . (Samozřejmě, aby měl α skutečný význam, musí být spektrum téměř téměř přímkou napříč dotyčným rozsahem.)

Rovnice paprsků

V jednoduchém tryskovém modelu jedné homogenní koule pozorovaná svítivost souvisí s vnitřní svítivostí jako

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

kde

{ displaystyle p = 3- alpha ,.}

Pozorovaná svítivost proto závisí na rychlosti paprsku a úhlu k přímce pohledu prostřednictvím Dopplerova faktoru, ${ displaystyle D}$ , a také na vlastnostech uvnitř paprsku, jak ukazuje exponent se spektrálním indexem.

Rovnici paprsků lze rozdělit do řady tří efektů:

Relativistická aberace
Dilatace času
Modrý nebo červený převod

Aberace

Aberace je změna v objektu zdánlivý směr způsobené relativním příčným pohybem pozorovatele. V inerciálních systémech je to stejné a opačné k korekce času světla.

V každodenním životě je aberace známým jevem. Vezměme si osobu stojící v dešti v den, kdy je bezvětří. Pokud osoba stojí na místě, pak kapky deště budou následovat cestu, která je přímo dolů k zemi. Pokud se však osoba pohybuje, například v autě, bude se zdát, že se déšť blíží pod určitým úhlem. Tato zjevná změna směru příchozích dešťových kapek je aberací.

Míra aberace závisí na rychlosti emitovaného objektu nebo vlny vzhledem k pozorovateli. Ve výše uvedeném příkladu by to byla rychlost automobilu ve srovnání s rychlostí padajícího deště. To se nemění, když se objekt pohybuje rychlostí blízkou ${ displaystyle c}$ . Stejně jako klasické a relativistické efekty závisí aberace na: 1) rychlosti vysílače v době emise a 2) rychlosti pozorovatele v době absorpce.

V případě relativistického paprsku bude paprskem (emisní aberace) vypadat, jako by byla vysílána více energie vpřed ve směru, kterým se paprsek pohybuje. V jednoduchém tryskovém modelu bude homogenní koule vyzařovat energii rovnoměrně ve všech směrech v klidovém rámci koule. V klidovém rámci Země bude pozorováno, že pohybující se koule emituje většinu své energie ve směru svého pohybu. Energie je tedy „paprskem“ v tomto směru.

Kvantitativně aberace odpovídá změně jasu světla

{ displaystyle D ^ {2} ,.}

Dilatace času

Dilatace času je známým důsledkem speciální relativita a odpovídá za změnu pozorované svítivosti

{ displaystyle D ^ {1} ,.}

Modrý nebo červený převod

Modrý- nebo řazení může změnit pozorovanou svítivost při určité frekvenci, ale nejedná se o paprskový efekt.

Blueshifting odpovídá za změnu pozorované svítivosti

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

Lorentzovy invarianty

Složitější metoda odvození rovnic paprsků začíná kvantitou ${ displaystyle { frac {S} { nu ^ {3}}}}$ . Toto množství je Lorentzův invariant, takže hodnota je stejná v různých referenčních rámcích.

Terminologie

paprskově zářící: kratší výrazy pro „relativistické vysílání paprsků“
beta: poměr rychlosti paprsku k rychlosti světla, někdy nazývaný „relativistická beta“
jádro: oblast galaxie kolem středu Černá díra
protiproud: paprsek na opačné straně zdroje orientovaného blízko k zornému poli, může být velmi slabý a obtížně pozorovatelný
Dopplerův faktor: matematický výraz, který měří sílu (nebo slabost) relativistických efektů v AGN, včetně paprsků, na základě rychlosti paprsku a jeho úhlu k přímce pohledu na Zemi
ploché spektrum: termín pro netepelný spektrum který vydává velké množství energie na vyšších frekvencích ve srovnání s nižšími frekvencemi
vnitřní svítivost: the zářivost z trysky v zbytkovém rámu trysky
jet (často nazývané „relativistické letadlo '): proud vysoké rychlosti (blízký c) plazmy vycházející z polárního směru AGN
pozorovaná svítivost: the zářivost z paprsku v ostatním rámu Země
spektrální index: měřítkem toho, jak netepelné spektrum se mění s frekvencí. Menší α znamená, čím významnější je energie na vyšších frekvencích. Typicky je α v rozmezí 0 až 2.
strmé spektrum: termín pro netepelný spektrum který vydává malou energii na vyšších frekvencích ve srovnání s nižšími frekvencemi

Fyzikální veličiny

úhel k přímce pohledu se Zemí: ${ displaystyle theta , !}$
rychlost trysky: ${ displaystyle v_ {j} , !}$
vnitřní svítivost: ${ displaystyle S_ {e} , !}$ (někdy se nazývá emitovaná svítivost)
pozorovaná svítivost: ${ displaystyle S_ {o} , !}$
spektrální index: ${ displaystyle alpha , !}$ kde ${ displaystyle S propto nu ^ { alpha} , !}$
Rychlost světla: ${ displaystyle c , ! = 2,9979 krát 10 ^ {8}}$ slečna

Matematické výrazy

relativistická beta: ${ displaystyle beta = { frac {v_ {j}} {c}}}$
Lorentzův faktor: ${ displaystyle gamma = { frac {1} { sqrt {1- beta ^ {2}}}}}$
Dopplerův faktor: ${ displaystyle D = { frac {1} { gamma (1- beta cos theta)}}}$

Viz také

Reference

^ Sparks, W. B .; et al. (1992). "Protiproud v eliptické galaxii M87". Příroda. 355 (6363): 804–806. Bibcode:1992 Natur.355..804S. doi:10.1038 / 355804a0.
^ Laing, R .; A. H. Bridle (2002). "Relativistické modely a rychlostní pole paprsku v rádiové galaxii 3C 31". Měsíční oznámení Královské astronomické společnosti. 336 (1): 328–352. arXiv:astro-ph / 0206215. Bibcode:2002MNRAS.336..328L. doi:10.1046 / j.1365-8711.2002.05756.x.

externí odkazy

Podrobné vysvětlení relativistické aberace

[1] Sparks, W. B .; et al. (1992). "Protiproud v eliptické galaxii M87". Příroda. 355 (6363): 804–806. Bibcode:1992 Natur.355..804S. doi:10.1038 / 355804a0.

[2] Laing, R .; A. H. Bridle (2002). "Relativistické modely a rychlostní pole paprsku v rádiové galaxii 3C 31". Měsíční oznámení Královské astronomické společnosti. 336 (1): 328–352. arXiv:astro-ph / 0206215. Bibcode:2002MNRAS.336..328L. doi:10.1046 / j.1365-8711.2002.05756.x.

[1]

[2]