Введение

Электромагнитное излучение, испускаемое заряженными частицами, ускоренными перпендикулярно их скорости. Физическое явление синхротронного излучения.

Синхротронное излучение (также известное как излучение магнитоторможения) — это электромагнитное излучение, возникающее при движении релятивистских заряженных частиц под воздействием ускорения, перпендикулярного их скорости ('a' ⊥ 'v'). Оно может быть получено искусственно в некоторых типах ускорителей частиц или возникать естественным образом при быстром движении электронов в магнитном поле. Излучение, возникающее таким образом, обладает характерной поляризацией, а генерируемые частоты могут охватывать значительную часть электромагнитного спектра. Синхротронное излучение аналогично излучению торможения, которое испускается заряженной частицей при ускорении, параллельном направлению движения. Общим термином для излучения, испускаемого частицами в магнитном поле, является гиромагнитное излучение, при этом синхротронное излучение представляет собой ультрарелятивистский частный случай. Излучение, испускаемое заряженными частицами, движущимися нерелятивистски в магнитном поле, называется циклотронным излучением. Для частиц в умеренно релятивистском диапазоне (≈85% скорости света) излучение называется гиросинхротронным излучением. В астрофизике синхротронное излучение наблюдается, например, из-за ультрарелятивистского движения заряженной частицы вокруг чёрной дыры. Когда источник движется по круговой геодезической вокруг чёрной дыры, синхротронное излучение возникает на орбитах, близких к фотосфере, где движение находится в ультрарелятивистском режиме.

Из ускорителей

Круглые ускорители всегда будут производить гиромагнитное излучение, поскольку частицы отклоняются в магнитном поле. Однако количество и свойства излучения сильно зависят от характера ускорения. Например, из-за разницы в массе, фактор в формуле мощности излучения означает, что электроны излучают энергию примерно в 10¹³ раз быстрее, чем протоны. Потеря энергии на синхротронное излучение в циркулярных ускорителях изначально рассматривалась как недостаток, поскольку для компенсации этих потерь требовалось дополнительно подавать энергию в пучок. Однако, начиная с 1980-х годов, были построены циркулярные электронные ускорители, известные как источники синхротронного излучения, для намеренного получения интенсивных пучков синхротронного излучения в исследовательских целях.

В астрономии

Синхротронное излучение также генерируется астрономическими объектами, как правило, там, где релятивистские электроны спирально движутся (и, следовательно, изменяют свою скорость) в магнитных полях. Двумя его характерными особенностями являются спектры энергии, подчиняющиеся степенному закону, и поляризация. Оно считается одним из наиболее мощных инструментов для изучения внесолнечных магнитных полей в областях, где присутствуют релятивистские заряженные частицы. Большинство известных космических радиоисточников излучают синхротронное излучение. Оно часто используется для оценки напряженности крупных космических магнитных полей, а также для анализа состава межзвездной и межгалактической среды.

История обнаружения

Этот тип излучения впервые был зарегистрирован в струе, испущенной Мессье 87 в 1956 году Джеффри Р. Бурбиджем, который рассматривал это как подтверждение предсказания Иосифа С. Шкловского, сделанного в 1953 году. Однако, более раннее предсказание (1950 год) было сделано Ханнесом Альфвеном и Николаем Херлофсоном. Солнечные вспышки ускоряют частицы, излучающие подобным образом, что было предложено Р. Джованнелли в 1948 году и описано Дж. Х. Пиддингтоном в 1952 году. Т. К. Брюс отметил, что вопросы приоритета в истории астрофизического синхротронного излучения являются сложными, написав:

Из сверхмассивных черных дыр

Предполагается, что сверхмассивные черные дыры производят синхротронное излучение в "джетах", генерируемых гравитационным ускорением ионов в их полярных магнитных полях. Ближайший наблюдаемый такой джет исходит из ядра галактики Месье 87. Этот джет интересен тем, что создает иллюзию сверхсветового движения при наблюдении с Земли. Это явление вызвано тем, что джеты движутся очень близко к скорости света и под малым углом к наблюдателю. Поскольку в каждой точке своего пути высокоскоростные джеты излучают свет, этот свет не достигает наблюдателя значительно быстрее, чем сам джет. Таким образом, свет, испущенный за сотни лет пути, приходит к наблюдателю за гораздо меньший промежуток времени, создавая иллюзию скорости, превышающей скорость света, хотя на самом деле специальная теория относительности не нарушается.

Туманности пульсарного ветра

Класс астрономических источников, в которых играет важную роль синхротронное излучение, – это туманности пульсарного ветра, также известные как плерионы, наиболее ярким примером которых является туманность Краб и связанный с ней пульсар. Недавно было зарегистрировано импульсное гамма-излучение от Краба с энергией до ≥25 ГэВ, вероятно, обусловленное синхротронным излучением электронов, захваченных в сильное магнитное поле вокруг пульсара. Поляризация в туманности Краб в диапазоне энергий от 0,1 до 1,0 МэВ демонстрирует это типичное свойство синхротронного излучения.

Межзвездные и межгалактические среды

Большая часть того, что известно о магнитном окружении межзвездной и межгалактической среды, получена из наблюдений синхротронного излучения. Космические электроны, двигаясь в среде, взаимодействуют с релятивистской плазмой и излучают синхротронное излучение, которое регистрируется на Земле. Характеристики этого излучения позволяют астрономам делать выводы о напряженности и ориентации магнитного поля в этих областях. Однако точные вычисления напряженности поля невозможны без знания плотности релятивистских электронов. Ударная волна заставляет электроны вращаться в окружающих магнитных полях и генерирует синхротронное излучение, позволяя определить радиус ударной волны в месте излучения. Синхротронное излучение также может показать напряженность магнитного поля у фронта ударной волны, а также плотность окружающей среды, с которой сталкивается волна, но сильно зависит от соотношения между энергией магнитного поля, кинетической энергией протонов и кинетической энергией электронов. Радиосинхротронное излучение позволило астрономам лучше понять потерю массы и звездные ветры, возникающие непосредственно перед гибелью звезды.