Қозылдампалы нысандардың сәулеленуінің қабылданатын өзгеруі
Relativistic beaming
Релятивистік эффект: жылдам қозғалатын объектілердің жарқырауы қалай өзгереді? Астрономиядағы плазма ағындары, квазарлар және гамма-шашулар түсіндіріледі.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Қозғалыстағы дененің жарықтылығының арнайы салыстырмалылық теориясымен байланысты өзгеруі
Change in luminosity of a moving object due to special relativity
Физикада релятивистік сәулелену (сондай-ақ Допплер сәулеленуі, Допплер күшейтуі немесе фара эффектісі деп те аталады) – бұл релятивистік эффектілердің жарық жылдамдығына жуық жылдамдықпен қозғалатын сәуле шығаратын дененің көрінетін жарықтығын өзгертетін процесі. Астрономиялық контексте релятивистік сәулелену көбінесе материяны жинақтап жатқан орталық тығыз денеден шығатын плазманың екі қарама-қарсы бағытталған релятивистік ағынында кездеседі. Аккрецияланатын тығыз денелер мен релятивистік ағындар рентгендік екілік жүйелерді, гамма-сәулелік жарлыстарды және одан да ірі масштабта белсенді галактикалық ядроларды түсіндіру үшін қолданылады (квазарлар да аккрецияланатын тығыз денемен байланысты, бірақ олар белсенді галактикалық ядролардың (AGN) ерекше түрі деп саналады). Сәулелену қозғалатын дененің көрінетін жарықтығына әсер етеді. Көрерменге қатысты қозғалатын және электромагниттік сәуле шығаратын газ бұлтын қарастырайық. Егер газ көрерменге қарай қозғалса, ол тоқтаған кездегіден гөрі жарқырап көрінеді, ал егер газ алыстаса, оның жарықтылығы төмендейді. Эффектінің дәрежесі M87 және 3C 31 галактикаларының AGN ағындарымен көрсетілген (оң жақтағы суреттерді қараңыз). M87-нің Жерге және одан алысқа бағытталған екі ағыны бар; Жерге қарай қозғалатын ағын анық көрінеді (жоғарғы суреттегі ұзын, жұқа көкшіл элемент), ал екінші ағын соншалықты әлсіз, оны көру мүмкін емес. 3C 31-де екі ағынның (төменгі суретте белгіленген) біздің көру сызығымызға шамамен тік бұрышпен орналасқан, сондықтан екеуі де көрінеді. Жоғарғы ағын Жерге қарай сәл көбірек бағытталған және сондықтан жарқырап көрінеді. Релятивистік қозғалыстағы денелер түрлі физикалық эффектілерге байланысты сәулеленеді. Жарық аберрациясы фотондардың көп бөлігінің дененің қозғалыс бағыты бойынша шығуына себеп болады. Допплер эффекті фотондардың энергиясын қызыл немесе көккөк түске ығыстыру арқылы өзгертеді. Соңында, сәуле шығаратын денемен бірге қозғалатын сағаттармен өлшенген уақыт аралықтары, уақыттың созылуы және фотонның келу уақытының әсерінен Жердегі бақылаушы өлшегеннен өзгеше болады. Бұл эффектілердің барлығы қозғалатын дененің жарықтығын немесе көрінетін жарықтығын қалай өзгертетінін релятивистік Допплер эффектісін сипаттайтын теңдеу анықтайды (сондықтан релятивистік сәулелену Допплер сәулеленуі деп те аталады).
In physics, relativistic beaming (also known as Doppler beaming, Doppler boosting, or the headlight effect) is the process by which relativistic effects modify the apparent luminosity of emitting matter that is moving at speeds close to the speed of light. In an astronomical context, relativistic beaming commonly occurs in two oppositely directed relativistic jets of plasma that originate from a central compact object that is accreting matter. Accreting compact objects and relativistic jets are invoked to explain x ray binaries, gamma ray bursts, and, on a much larger scale, active galactic nuclei (quasars are also associated with an accreting compact object, but are thought to be merely a particular variety of active galactic nuclei, or AGNs). Beaming affects the apparent brightness of a moving object. Consider a cloud of gas moving relative to the observer and emitting electromagnetic radiation. If the gas is moving towards the observer, it will be brighter than if it were at rest, but if the gas is moving away, it will appear fainter. The magnitude of the effect is illustrated by the AGN jets of the galaxies M87 and 3C 31 (see images at right). M87 has twin jets aimed almost directly towards and away from Earth; the jet moving towards Earth is clearly visible (the long, thin blueish feature in the top image), while the other jet is so much fainter it is not visible. In 3C 31, both jets (labeled in the lower figure) are at roughly right angles to our line of sight, and thus, both are visible. The upper jet actually points slightly more in Earth's direction and is therefore brighter. Relativistically moving objects are beamed due to a variety of physical effects. Light aberration causes most of the photons to be emitted along the object's direction of motion. The Doppler effect changes the energy of the photons by red or blue shifting them. Finally, time intervals as measured by clocks moving alongside the emitting object are different from those measured by an observer on Earth due to time dilation and photon arrival time effects. How all of these effects modify the brightness, or apparent luminosity, of a moving object is determined by the equation describing the relativistic Doppler effect (which is why relativistic beaming is also known as Doppler beaming).
Қарапайым реактивті ұшақ үлгісі
Жеттің ең қарапайым моделі – біртекті шардың Жерге жарық жылдамдығына жуық жылдамдықпен келе жатқаны. Бұл қарапайым модель де нақты емес, бірақ ол сәуле түсірудің физикалық процесін жақсы көрсетеді.
The simplest model for a jet is one where a single, homogeneous sphere is travelling towards the Earth at nearly the speed of light. This simple model is also an unrealistic one, but it does illustrate the physical process of beaming quite well.
Синхротрондық спектр және спектрлік индекс
Релятивистік ұшқыштар өз энергиясының көп бөлігін синхротрондық сәулелену арқылы шығарады. Біздің қарапайым моделімізде сферада жоғары релятивистік электрондар мен тұрақты магнит өрісі бар. Сфера ішіндегі электрондар жарық жылдамдығынан өте аз ғана бөлік кем жылдамдықпен қозғалады және магнит өрісімен айналып жүреді. Электронның бағытын өзгерткеннің әрқайсысы фотон түрінде энергия шығарумен бірге жүреді. Көптеген электрондар мен күшті магнит өрісі бар релятивистік сфера көптеген фотондарды шығара алады, олар салыстырмалы түрде әлсіз радио жиіліктерден бастап, күшті рентгендік сәулелерге дейін жетеді. Үлгі спектрінің суреті қарапайым синхротрондық спектрдің негізгі ерекшеліктерін көрсетеді. Төмен жиіліктерде ұшқыш сфера тығыз болады және оның жарқырауы жиілікпен бірге артады, содан кейін ең жоғары нүктеге жетіп, төмендеуге бастайды. Үлгі суретінде бұл ең жоғары жиілікте, одан жоғары жиіліктерде ұшқыш сфера мөлдір болады. Жарқырау жиілікпен бірге төмендейді, үзілу жиілігіне жеткенге дейін, содан кейін одан да жылдам төмендейді. Сол суретте үзілу жиілігі пайда болады, себебі өте жоғары жиіліктерде фотондарды шығаратын электрондар энергиясының көп бөлігін өте жылдам жоғалтады. Жоғары энергиялы электрондардың санының күрт төмендеуі спектрдің күрт төмендеуін білдіреді. Синхротрондық спектрдегі еңіс өзгерістері спектрлік индекспен сипатталады. Белгілі бір жиілік диапазонындағы α спектрлік индексі – бұл V пен S диаграммасындағы еңіс (Әрине, α нақты мағынаға ие болуы үшін спектр осы диапазон бойынша тура сызыққа жақын болуы керек).
Relativistic jets emit most of their energy via synchrotron emission. In our simple model the sphere contains highly relativistic electrons and a steady magnetic field. Electrons inside the blob travel at speeds just a tiny fraction below the speed of light and are whipped around by the magnetic field. Each change in direction by an electron is accompanied by the release of energy in the form of a photon. With enough electrons and a powerful enough magnetic field the relativistic sphere can emit a huge number of photons, ranging from those at relatively weak radio frequencies to powerful X ray photons. The figure of the sample spectrum shows basic features of a simple synchrotron spectrum. At low frequencies the jet sphere is opaque and its luminosity increases with frequency until it peaks and begins to decline. In the sample image this peak frequency occurs at At frequencies higher than this the jet sphere is transparent. The luminosity decreases with frequency until a break frequency is reached, after which it declines more rapidly. In the same image the break frequency occurs when The sharp break frequency occurs because at very high frequencies the electrons which emit the photons lose most of their energy very rapidly. A sharp decrease in the number of high energy electrons means a sharp decrease in the spectrum. The changes in slope in the synchrotron spectrum are parameterized with a spectral index. The spectral index, α, over a given frequency range is simply the slope on a diagram of vs. (Of course for α to have real meaning the spectrum must be very nearly a straight line across the range in question.)
Лоренц инварианттары
Сәулелену теңдеулерін шығарудың күрделірек әдісі осы шамадан басталады. Бұл шама Лоренц инварианты, сондықтан оның мәні әртүрлі есептесу жүйелерінде өзгермейді.
A more sophisticated method of deriving the beaming equations starts with the quantity This quantity is a Lorentz invariant, so the value is the same in different reference frames.