Кіріспе

Зарядталған бөлшектердің жылдамдығына перпендикуляр бағытта үдеуінен туындайтын электромагниттік сәулелену – синхротрон сәулеленуінің физикалық құбылысы. Синхротрон сәулеленуі (кейде магниттік тежегіш сәулелену деп те аталады) – бұл релятивистік зарядталған бөлшектердің жылдамдығына перпендикуляр бағытта үдеуі нәтижесінде пайда болатын электромагниттік сәулелену ("а" ⊥ "v"). Ол кейбір бөлшектер үдеткіштерінде жасанды түрде немесе магниттік өрістерде жылдам қозғалатын электрондар арқылы табиғатта туындауы мүмкін. Осылайша туындаған сәулеленудің ерекше поляризациясы болады және пайда болатын жиіліктер электромагниттік спектрдің кең ауқымын қамти алады. Синхротрон сәулеленуі, қозғалыс бағытына параллель үдеу кезінде зарядталған бөлшектерден шығатын тормоздық сәулеленуге ұқсас. Магниттік өрісте бөлшектердің сәулеленуінің жалпы атауы – гиромагниттік сәулелену, ал синхротрон сәулеленуі – оның ультрарелятивистік ерекше жағдайы. Магниттік өрісте релятивистік емес жылдамдықпен қозғалатын зарядталған бөлшектердің сәулеленуі циклотрон сәулеленуі деп аталады. Бөлшектердің шамалы релятивистік диапазонында (шамамен жарық жылдамдығының 85%-ы) сәулелену гиросинхротрон сәулеленуі деп аталады. Астрофизикада, мысалы, синхротрон сәулеленуі зарядталған бөлшектің қара тесік айналасындағы ультрарелятивистік қозғалысының салдарынан пайда болады. Егер сәуленің көзі қара тесік айналасындағы дөңгелек геодезиялық траекториямен қозалса, онда синхротрон сәулеленуі қозғалыс ультрарелятивистік режимде болатын фотосфераға жақын орбиталарда пайда болады.

Жылдамдатушылардан

Дөңгелек үдеуіштерде бөлшектер магнит өрісінде бұрылған кезде әрқашан гиромагниттік сәуле туындайды. Дегенмен, сәулеленудің мөлшері мен қасиеттері үдеу процесінің сипатына тікелей байланысты. Мысалы, масса айырмашылығына байланысты, шығарылатын қуат формуласындағы коэффициент электрондардың энергияны протонға қарағанда шамамен 10¹³ есе жылдамдықпен сәулелендіретінін көрсетеді. Бұрыштық үдеуіштерде синхротрон сәулеленуінен болатын энергия жоғалтуы бастапқыда қиындық ретінде қарастырылды, себебі жоғалған энергияны толықтыру үшін сәулеге қосымша қуат беру қажет болды. Алайда, 1980 жылдардан бастап, «жарық көздері» деп аталатын дөңгелек электрондық үдеуіштер ғылыми зерттеулер үшін қарқынды синхротрон сәулесін мақсатты түрде өндіру үшін құрылды.

Астрономияда

Синхротрондық сәулелену астрономиялық объектілерде де пайда болады, әдетте релятивистік электрондар магниттік өрістерде спираль тәрізді қозғалып (соның салдарынан жылдамдығы өзгереді) жатады. Оның екі негізгі қасиеті – қуат заңы бойынша энергия спектрлері және поляризация. Бұл, релятивистік зарядталған бөлшектердің бар жеріндегі күннен тыс магниттік өрістерді зерттеудегі ең тиімді құралдардың бірі саналады. Көптеген белгілі ғарыштық радио көздері синхротрондық сәулелену шығарады. Ол көбінесе ірі ғарыштық магниттік өрістердің күшін бағалауға, сондай-ақ жұлдызаралық және галактикааралық кеңістіктің құрамын талдауға қолданылады.

Анықталу тарихы

Бұл сәулелену түрі алғаш рет 1956 жылы Джеффри Р. Бурбидж Месиер 87 галактикасынан шыққан сәуледе анықталды, ол оны 1953 жылы Иосиф С. Шкловскийдің болжамын растау ретінде қарастырды. Дегенмен, оны одан бұрын (1950 жылы) Ханнес Альфвен мен Николай Херлофсон болжаған болатын. Р. Джованнеллидің 1948 жылы айтқан пікірінше, күн жарқындары осылай сәуле шығаратын бөлшектерді үдетіп жібереді, ал 1952 жылы Дж. Х. Пиддингтон оны сипаттады. Т. К. Брюс астрофизикалық синхротрондық сәулелену тарихындағы басымдық мәселелерінің күрделі екенін атап өтті:

Супермассивті қара тесіктерден

Супермассивті қара тесіктер өздерінің полюстік магнит өрістеріндегі иондардың гравитациялық үдеуінен туындаған "ағындарда" синхротрон сәулеленуін шығарады деген пікір бар. Мұндай байқалған ағынның ең жақыны – Месиер 87 галактикасының ядросынан шығады. Бұл ағын Жерден байқалғанда суперлюминалды қозғалыс иллюзиясын тудыруымен қызығушылық тудырады. Бұл құбылыс ағындардың жарық жылдамдығына өте жақын және бақылаушыға өте кішкентай бұрышпен бағытталғандықтан болады. Ағындар өз жолының кез келген нүктесінде жоғары жылдамдықпен жарық шығарғандықтан, олар шығарған жарық ағынның өзінен гөрі бақылаушыға көбірек жылдамдықпен жетпейді. Осылайша, жүздеген жылдар бойы саяхаттаған жарық бақылаушыға қысқарақ уақыт ішінде жетеді, бұл жарық жылдамдығынан асып түсетіндей сезім тудырады, бірақ ерекше салыстырмалылық теориясы бұзылмайды.

Пульсарлық жел тұмандылары

Синхротрондық сәуле шығару маңызды болатын астрономиялық көздердің бір классы – пульсарлық жел тұмандықтары, сонымен қатар плериондар деп аталады. Олардың ішінде Жаратушы тұмандығы және оған байланысты пульсары архетипті мысал болып табылады. Жаратушы тұмандығынан жүгірткілікті гамма сәулеленуі ≥25 ГэВ-қа дейін байқалды, бұл, мүмкін, пульсардың күшті магнит өрісінде тұтқындалған электрондардың синхротрондық сәуле шығаруына байланысты. 0,1-ден 1,0 МэВ энергия диапазонындағы Жаратушы тұмандығының поляризациясы синхротрондық сәулеленудің осы қасиетін көрсетеді.

Жұлдыздар аралық және галактикааралық ақпарат құралдары

Көптеген мәліметтер жұлдызаралық және галактикааралық ортаның магниттік қасиеттері туралы синхротрон сәулеленуін бақылау арқылы алынған. Ортадан өтетін ғарыштық сәулелер электрондары релятивистік плазмамен әрекеттесіп, Жерде анықталатын синхротрон сәулеленуін шығарады. Сәулеленудің қасиеттері астрономдарға осы аймақтардағы магнит өрісінің күші мен бағытын анықтауға мүмкіндік береді. Дегенмен, магнит өрісінің күшін дәл есептеу үшін релятивистік электрондардың тығыздығын білу қажет. Бұл жарылыс толқыны электрондарды қоршаған магнит өрісінде айналдырып, синхротрон сәулеленуін тудырады, бұл сәулелену орнындағы жарылыс толқынының радиусын көрсетеді. Синхротрон сәулеленуі соққы толқынының алдыңғы жағындағы магнит өрісінің күшін, сондай-ақ оның кездесетін жұлдыздық тығыздығын да анықтай алады, бірақ бұл магнит өрісі, протондардың кинетикалық энергиясы және электрондардың кинетикалық энергиясы арасындағы энергия бөлісіне байланысты. Радио синхротрон сәулеленуі астрономдарға жұлдыздың өліміне дейін болатын масса жоғалуы мен жұлдыздық желдер туралы мәлімет беруге мүмкіндік берді.