Ruch superluminalny - Superluminal motion

Ruch nadświetlny

W astronomii , nadświetlną ruch jest najwyraźniej szybciej niż światło ruchu widziana w niektórych galaktyk radiowych , BL Lac obiektów , kwazary , blazary a ostatnio także w niektórych galaktycznych źródeł zwanych mikrokwazary . Wybuchy energii przemieszczające się wzdłuż relatywistycznych dżetów emitowanych z tych obiektów mogą mieć ruch właściwy, który wydaje się być większy niż prędkość światła. Uważa się, że wszystkie te źródła zawierają czarną dziurę odpowiedzialną za wyrzucanie masy z dużymi prędkościami. Lekkie echa mogą również wywoływać pozorny ruch ponadświetlny.

Wyjaśnienie

Ruch nadświetlny występuje jako szczególny przypadek bardziej ogólnego zjawiska wynikającego z różnicy między pozorną prędkością odległych obiektów poruszających się po niebie a ich rzeczywistą prędkością mierzoną u źródła.

Śledząc ruch takich obiektów po niebie, możemy naiwnie obliczyć ich prędkość przez prostą odległość podzieloną przez obliczenie czasu. Znając odległość obiektu od Ziemi, można zmierzyć prędkość kątową obiektu i naiwnie obliczyć prędkość poprzez:

prędkość pozorna = odległość do prędkości kątowej obiektu .

To obliczenie nie daje rzeczywistej prędkości obiektu, ponieważ nie uwzględnia faktu, że prędkość światła jest skończona. Kiedy mierzymy ruch odległych obiektów po niebie, występuje duże opóźnienie między tym, co obserwujemy, a tym, co się wydarzyło, ze względu na dużą odległość, jaką światło z odległego obiektu musi przebyć, aby do nas dotrzeć. Błąd w powyższej naiwnej kalkulacji wynika z faktu, że gdy obiekt ma składową prędkości skierowaną w kierunku Ziemi, w miarę zbliżania się obiektu do Ziemi opóźnienie czasowe staje się mniejsze. Oznacza to, że obliczona powyżej prędkość pozorna jest większa niż prędkość rzeczywista. Odpowiednio, jeśli obiekt oddala się od Ziemi, powyższe obliczenia zaniżają rzeczywistą prędkość.

Ten efekt sam w sobie nie prowadzi na ogół do zaobserwowania ruchu nadświetlnego. Ale gdy rzeczywista prędkość obiektu jest zbliżona do prędkości światła, pozorna prędkość może być obserwowana jako większa niż prędkość światła, w wyniku powyższego efektu. Ponieważ rzeczywista prędkość obiektu zbliża się do prędkości światła, efekt jest najbardziej wyraźny, gdy składowa prędkości w kierunku Ziemi wzrasta. Oznacza to, że w większości przypadków obiekty „nadświetlne” poruszają się niemal bezpośrednio w kierunku Ziemi. Jednak nie jest to bezwzględnie konieczne, a ruch nadświetlny nadal można zaobserwować w obiektach o znacznych prędkościach, które nie są skierowane w stronę Ziemi.

Ruch ponadświetlny jest najczęściej obserwowany w dwóch przeciwnych dżetach emanujących z jądra gwiazdy lub czarnej dziury. W tym przypadku jeden odrzutowiec oddala się, a drugi w kierunku Ziemi. W przypadku zaobserwowania przesunięć Dopplera w obu źródłach, prędkość i odległość można określić niezależnie od innych obserwacji.

Kilka sprzecznych dowodów

Już w 1983 roku na „warsztatach superluminalnych” odbywających się w Jodrell Bank Observatory , nawiązujących do siedmiu znanych wówczas dżetów superluminalnych,

Schilizzi ... przedstawił mapy o rozdzielczości sekundy łuku [pokazujące wielkoskalowe zewnętrzne dżety] ... które ... ujawniły zewnętrzną podwójną strukturę we wszystkich poza jednym ( 3C 273 ) ze znanych źródeł nadświetlnych. Wstydem jest to, że przeciętny rozmiar rzutowany [na niebo] struktury zewnętrznej nie jest mniejszy niż w przypadku normalnej populacji źródeł radiowych.

Innymi słowy, odrzutowce ewidentnie nie są przeciętnie blisko naszej linii widzenia. (Ich pozorna długość wydawałaby się znacznie krótsza, gdyby tak było).

W 1993 roku Thomson i in. zasugerował, że (zewnętrzny) dżet kwazara 3C 273 jest prawie współliniowy z naszą linią widzenia. Wzdłuż (wewnętrznego) dżetu tego kwazara zaobserwowano ruch nadświetlny do ~9,6 c .

Nadświetlny ruch do 6 c zaobserwowano w wewnętrznych częściach dżetu M87 . Aby wyjaśnić to za pomocą modelu „wąskokątnego”, dżet nie może znajdować się dalej niż 19° od naszej linii widzenia. Ale dowody sugerują, że dżet znajduje się w rzeczywistości na około 43° w naszej linii widzenia. Ta sama grupa naukowców później zrewidowała to odkrycie i argumentowała na rzecz superluminalnego ruchu masowego, w którym osadzony jest dżet.

Sugestie dotyczące turbulencji i/lub „szerokich stożków” w wewnętrznych częściach dżetów zostały wysunięte, aby spróbować przeciwdziałać takim problemom i wydaje się, że istnieją na to pewne dowody.

Prędkość sygnału

Model identyfikuje różnicę między informacją przenoszoną przez falę przy jej prędkości sygnału c , a informacją o pozornym tempie zmiany położenia czoła fali. Jeśli przewiduje się impuls świetlny w falowodzie (szklanej rurce) poruszający się w polu widzenia obserwatora, impuls może poruszać się tylko w punkcie c przez prowadnicę. Jeśli ten impuls jest również skierowany w stronę obserwatora, otrzyma on informację falową w punkcie c . Jeżeli falowód porusza się w tym samym kierunku co impuls, zmienia się informacja o jego położeniu, przekazywana obserwatorowi jako emisje boczne impulsu. Może postrzegać tempo zmian położenia jako najwyraźniej reprezentujące ruch szybszy niż c, gdy jest obliczony, jak krawędź cienia na zakrzywionej powierzchni. Jest to sygnał inny niż impuls, zawierający inne informacje i nie łamie drugiego postulatu szczególnej teorii względności. c jest ściśle utrzymywany we wszystkich lokalnych dziedzinach.

Wyprowadzenie prędkości pozornej

Relatywistyczna strumień wychodzący z centrum na galaktyka aktywna porusza się AB z prędkością v . Obserwujemy strumienia od czasu punktu O. Pod a promień światła liście Jet od punktu A, oraz inna liście promieniowania w czasie od obserwatora w punkcie B. O odbiera promienie w czasie i kolejno. Kąt jest na tyle mały, że dwie zaznaczone odległości można uznać za równe.

Nadświetlny ruch w AGN jets.png
, gdzie

Pozorna prędkość poprzeczna wzdłuż ,

Pozorna prędkość poprzeczna jest maksymalna dla kąta ( stosuje się )

, gdzie

Jeśli (tj. gdy prędkość dżetu jest zbliżona do prędkości światła) to pomimo tego, że . I oczywiście oznacza to, że pozorna prędkość poprzeczna wzdłuż , jedyna prędkość na niebie, którą możemy zmierzyć, jest większa niż prędkość światła w próżni, tj. ruch jest pozornie ponadświetlny.

Historia

Pozorny ruch nadświetlny w słabej mgławicy otaczającej Nova Persei został po raz pierwszy zaobserwowany w 1901 roku przez Charlesa Dillona Perrine'a . "Pan. Fotografia Perrine'a z 7 i 8 listopada 1901 roku, zabezpieczona reflektorem Crossleya, doprowadziła do niezwykłego odkrycia, że ​​masy mgławic najwyraźniej były w ruchu, z prędkością być może kilkaset razy większą niż dotychczas obserwowana”. „Korzystanie z 36-calowego. teleskopem (Crossley) odkrył widoczny nadświetlny ruch rozszerzającej się bańki świetlnej wokół Nova Persei (1901). Uważany za mgławicę, wygląd był w rzeczywistości spowodowany przez światło z wydarzenia nowej odbite od otaczającego ośrodka międzygwiazdowego, gdy światło oddalało się od gwiazdy. Perrine badał to zjawisko za pomocą technik fotograficznych, spektroskopowych i polaryzacyjnych”.

Ruch nadświetlny został po raz pierwszy zaobserwowany w 1902 r. przez Jacobusa Kapteyna w wyrzucie nowej GK Persei , która eksplodowała w 1901 r. Jego odkrycie zostało opublikowane w niemieckim czasopiśmie Astronomische Nachrichten i przez wiele dziesięcioleci nie zwróciło uwagi anglojęzycznych astronomów.

W 1966 Martin Rees wskazał, że „obiekt poruszający się relatywistycznie w odpowiednich kierunkach może wydawać się odległemu obserwatorowi, że ma prędkość poprzeczną znacznie większą niż prędkość światła”. W 1969 i 1970 roku takie źródła zostały odkryte jako bardzo odległe astronomiczne źródła radiowe, takie jak radiogalaktyki i kwazary, i nazwano je źródłami superluminalnymi. Odkrycie było wynikiem nowej techniki zwanej interferometrią o bardzo długiej linii bazowej , która pozwoliła astronomom ustalić granice wielkości kątowej komponentów i określić pozycje z dokładnością lepszą niż milisekundy kątowe , a w szczególności określić zmianę pozycji na niebie , zwane ruchami własnymi , w typowym okresie lat. Prędkość pozorną uzyskuje się mnożąc obserwowany ruch własny przez odległość, która może być nawet 6-krotnością prędkości światła.

We wstępie do warsztatów na temat nadświetlnych źródeł radiowych Pearson i Zensus donieśli:

Pierwsze oznaki zmian w strukturze niektórych źródeł uzyskał zespół amerykańsko-australijski w serii transpacyficznych obserwacji VLBI w latach 1968-1970 (Gubbay et al. 1969). Po wczesnych eksperymentach zdali sobie sprawę z potencjału anten śledzących NASA do pomiarów VLBI i stworzyli interferometr działający między Kalifornią a Australią. Zmiana w widzialności źródła, którą zmierzyli dla 3C 279 , w połączeniu ze zmianami w całkowitej gęstości strumienia, wskazywała, że ​​komponent widziany po raz pierwszy w 1969 roku osiągnął średnicę około 1 milisekundy, co oznacza ekspansję z pozorną prędkością co najmniej dwukrotnie większą niż prędkość. światła. Świadomy modelu Reesa (Moffet et al. 1972) doszedł do wniosku, że ich pomiar przedstawia dowody na relatywistyczną ekspansję tego składnika. Ta interpretacja, choć w żadnym wypadku nie wyjątkowa, została później potwierdzona, a z perspektywy czasu wydaje się słuszne stwierdzenie, że ich eksperyment był pierwszym interferometrycznym pomiarem ekspansji światła nadświetlnego.

W 1994 roku uzyskano galaktyczny rekord prędkości dzięki odkryciu nadświetlnego źródła w naszej własnej galaktyce , kosmicznego źródła promieniowania rentgenowskiego GRS 1915+105 . Ekspansja nastąpiła w znacznie krótszym czasie. Zaobserwowano, że kilka oddzielnych kropelek rozszerza się parami w ciągu tygodni zazwyczaj o 0,5 sekundy łuku . Ze względu na analogię z kwazarami źródło to nazwano mikrokwazarem .

Zobacz też

Uwagi

Zewnętrzne linki