Relativistisk stråling - Relativistic beaming

Bare en enkelt jet er synlig i M87 .
To jetfly er synlige i 3C 31 .

Relativistisk stråling (også kjent som Doppler -stråling, Doppler -forsterkning eller frontlyseffekten ) er prosessen der relativistiske effekter modifiserer den tilsynelatende lysstyrken til avgivende materie som beveger seg i hastigheter nær lysets hastighet . I en astronomisk kontekst forekommer relativistisk stråling vanligvis i to motsatt dirigerte relativistiske jetstråler av plasma som stammer fra et sentralt kompakt objekt som samler materie. Akkumulerende kompakte objekter og relativistiske jetfly blir påkalt for å forklare røntgenbinarier , gammastråler og i mye større skala aktive galaktiske kjerner ( kvasarer er også knyttet til et akkreterende kompakt objekt, men antas å være bare en bestemt forskjellige aktive galaktiske kjerner eller AGN ).

Stråling påvirker den tilsynelatende lysstyrken til et objekt i bevegelse på samme måte som retningen et skip ser på lyset som kommer fra et fyr, påvirker den oppfattede lysstyrken til det lyset: lyset ser svakt eller usynlig ut for skipet bortsett fra når det roterende fyret er rettet mot den, når den deretter ser lys ut. Denne såkalte fyreffekten illustrerer viktigheten av bevegelsesretningen i forhold til observatøren. Tenk på en sky av gass som beveger seg i forhold til observatøren og avgir elektromagnetisk stråling. Hvis gassen beveger seg mot observatøren, vil den være lysere enn om den var i ro, men hvis gassen beveger seg bort, vil den virke svakere. Størrelsen på effekten er illustrert av AGN -strålene fra galaksen M87 og 3C 31 (se bildene til høyre). M87 har tvillingstråler som er rettet nesten direkte mot og bort fra jorden; strålen som beveger seg mot jorden er tydelig synlig (den lange, tynne blålige funksjonen i det øverste bildet), mens den andre strålen er så mye svakere at den ikke er synlig. I 3C 31 er begge jetflyene (merket i den nedre figuren) i omtrent rette vinkler mot siktlinjen vår, og dermed er begge synlige. Den øvre strålen peker faktisk litt mer i jordens retning og er derfor lysere.

Relativistisk bevegelige objekter stråles på grunn av en rekke fysiske effekter. Lysavvik forårsaker at de fleste fotoner sendes ut langs objektets bevegelsesretning. Den Doppler-effekten endrer energien til fotonene ved rød- eller blå-forflytte dem. Til slutt er tidsintervaller målt ved klokker som beveger seg langs det emitterende objektet forskjellige fra de som måles av en observatør på jorden på grunn av tidsutvidelse og effekter av fotonets ankomsttid. Hvordan alle disse effektene endrer lysstyrken eller tilsynelatende lysstyrken til et objekt i bevegelse, bestemmes av ligningen som beskriver den relativistiske dopplereffekten (derfor er relativistisk stråling også kjent som dopplerstråling).

En enkel jetmodell

Den enkleste modellen for et jetfly er en der en enkelt, homogen sfære beveger seg mot jorden med nesten lysets hastighet. Denne enkle modellen er også en urealistisk modell, men den illustrerer den fysiske prosessen med å stråle ganske bra.

Synkrotronspektrum og spektralindeksen

Relativistiske stråler avgir det meste av energien via synkrotronemisjon . I vår enkle modell inneholder sfæren svært relativistiske elektroner og et stabilt magnetfelt. Elektroner inne i klippen beveger seg med en hastighet bare en liten brøkdel under lysets hastighet og blir pisket rundt av magnetfeltet. Hver retningsendring av et elektron ledsages av frigjøring av energi i form av et foton. Med nok elektroner og et kraftig nok magnetfelt kan den relativistiske sfæren avgi et stort antall fotoner, alt fra de med relativt svake radiofrekvenser til kraftige røntgenfotoner.

Figuren av prøvespekteret viser grunnleggende trekk ved et enkelt synkrotronspektrum. Ved lave frekvenser er jet -sfæren ugjennomsiktig og lysstyrken øker med frekvensen til den når toppen og begynner å synke. I prøvebildet forekommer denne toppfrekvensen kl . Ved høyere frekvenser enn dette er strålesfæren gjennomsiktig. Lysstyrken avtar med frekvens til en pausefrekvens er nådd, hvoretter den synker raskere. I det samme bildet oppstår bruddfrekvensen når . Den skarpe bruddfrekvensen oppstår fordi ved svært høye frekvenser mister elektronene som avgir fotonene det meste av energien veldig raskt. En kraftig nedgang i antall elektroner med høy energi betyr en kraftig reduksjon i spekteret.

Endringene i skråningen i synkrotronspekteret er parameterisert med en spektralindeks . Den spektrale indeks, α, over et gitt frekvensområde er ganske enkelt den skråning på et diagram av vs. . (Selvfølgelig for at α skal ha virkelig betydning må spekteret være nesten en rett linje over det aktuelle området.)

Strålende ligning

I den enkle jetmodellen av en enkelt homogen sfære er den observerte lysstyrken relatert til den iboende lysstyrken som

hvor

Den observerte lysstyrken avhenger derfor av jetens hastighet og vinkelen til siktlinjen gjennom Doppler -faktoren , og også av egenskapene inne i strålen, som vist av eksponenten med spektralindeksen.

Strålingsligningen kan deles inn i en serie med tre effekter:

  • Relativistisk avvik
  • Tidsutvidelse
  • Blå- eller rødforskyvning

Aberrasjon

Aberrasjon er endringen i objektets tilsynelatende retning forårsaket av observatørens relative tverrgående bevegelse. I treghetssystemer er den lik og motsatt korreksjonen av lystid .

I hverdagen er aberrasjon et velkjent fenomen. Tenk på en person som står i regnet på en dag når det ikke er vind. Hvis personen står stille, vil regndråpene følge en sti som er rett ned til bakken. Men hvis personen beveger seg, for eksempel i en bil, ser det ut til at regnet nærmer seg på skrå. Denne tilsynelatende endringen i retningen for de innkommende regndråpene er aberrasjon.

Mengden aberrasjon avhenger av hastigheten til det utsendte objektet eller bølgen i forhold til observatøren. I eksemplet ovenfor vil dette være hastigheten på en bil sammenlignet med hastigheten på regnet som faller. Dette endres ikke når objektet beveger seg med en hastighet nær . I likhet med de klassiske og relativistiske effektene, avhenger avvik av: 1) emitterens hastighet på utslippstidspunktet, og 2) observatørens hastighet på tidspunktet for absorpsjon.

Når det gjelder en relativistisk stråle, vil stråling (utslippsavvik) få det til å se ut som om mer energi sendes fremover, i den retningen strålen beveger seg. I den enkle jetmodellen vil en homogen sfære avgi energi likt i alle retninger i resten av sfæren. I resten av jorden vil den bevegelige sfæren bli observert å avgi det meste av energien langs bevegelsesretningen. Energien blir derfor "strålt" langs den retningen.

Kvantitativt står aberrasjon for en endring i lysstyrken på

Tidsutvidelse

Tidsutvidelse er en velkjent konsekvens av spesiell relativitet og står for en endring i observert lysstyrke på

Blå- eller rødforskyvning

Blå- eller rødforskyvning kan endre den observerte lysstyrken ved en bestemt frekvens, men dette er ikke en strålende effekt.

Blueshifting utgjør en endring i observert lysstyrke på

Lorentz invariants

En mer sofistikert metode for å utlede strålingsligningene starter med mengden . Denne mengden er en Lorentz -invariant, så verdien er den samme i forskjellige referanserammer.

Terminologi

strålte, strålte
kortere termer for 'relativistisk stråling'
beta
forholdet mellom jethastigheten og lysets hastighet, noen ganger kalt 'relativistisk beta'
kjerne
område av en galakse rundt det sentrale sorte hullet
motstråle
strålen på den andre siden av en kilde orientert nær siktlinjen, kan være svært svak og vanskelig å observere
Doppler -faktor
et matematisk uttrykk som måler styrken (eller svakheten) av relativistiske effekter i AGN , inkludert stråling, basert på jethastigheten og dens vinkel mot siktlinjen med jorden
flatt spekter
et begrep for et ikke-termisk spekter som avgir mye energi ved de høyere frekvensene sammenlignet med de lavere frekvensene
iboende lysstyrke
den lyshet fra strålen i hviletilstanden av strålen
jet (ofte kalt ' relativistisk jet ')
en høy hastighet (nær c) plasmastrøm som kommer fra polarretningen til et AGN
observert lysstyrke
den lyshet fra strålen i hviletilstanden av jorden
spektralindeks
et mål på hvordan et ikke-termisk spekter endres med frekvens. Jo mindre α er, jo mer signifikant er energien ved høyere frekvenser. Vanligvis er α i området 0 til 2.
bratt spekter
et begrep for et ikke-termisk spektrum som avgir liten energi ved de høyere frekvensene sammenlignet med de lavere frekvensene

Fysiske mengder

vinkel mot siktlinjen med jorden
jet hastighet
iboende lysstyrke
(noen ganger kalt utsendt lysstyrke)
observert lysstyrke
spektralindeks
hvor
Lysets hastighet
m/s

Matematiske uttrykk

relativistisk beta
Lorentz -faktor
Doppler -faktor

Se også

Referanser

Eksterne linker