視超光速運動

視超光速運動

視超光速最早應該是由MartinRees在1966年預言的,結果發表在當年的一期Nature雜誌上,也算是大牛Rees的早期工作之一。其實個人看來很奇怪是一點是,為什麼直到1966年才有人預言到這一現象,明明原理並不複雜。也許是當時的人們沒有考慮過這方面的問題吧。所以直到1970年代真正發現視超光速源之後,理論解釋才開始變得引人注目。

視超光速是因光速有限導致的純粹幾何效應,解釋甚至可以不使用任何相對論相關的概念,更不用關心煩人的相速度和群速度關係。借用Rybicki在RadiactiveProcessesinAstrophysics一書中給出的圖景,設某天體的運動如右圖所示,在t時間段內從圖中的頂點運動到黑點處,速度為v,是速度與觀測者視線方向的夾角。顯而易見的是,運動的這段距離對於觀測者的投影是。若黑點處與觀測者距離為R,頂點處的距離則為。黑點發出輻射的時間比頂點處要晚t,故兩處輻射到達觀測者的時間差為(這也可以由相對論性都卜勒效應公式直接得出),此數值小於真實的時間間隔t。由此,觀測者看來,天體運動的投影速度是。

由此可求出觀測者所見的切向投影速度的最大值,合,是洛倫茲因子。此時的正弦值是洛倫茲因子的倒數,接近於0,也就是說此時接近0。顯然,只要v足夠大(洛倫茲因子遠大於1),而且取向合適(大致沿視線方向),切向速度超過光速是必然的。

關於視超光速源的發現史,倒是查到了多種說法:有說是1970年首次發現,有說是1972年在3C120中首次發現,還有說是1973年在3C279中首次發現,總之是和活動星系核(確切地說是活動星系核的噴流)分不開。視超光速源發現後免不了引起轟動,畢竟根據相對論,物體運動速度以光速為上限。該現象甚至一度成為類星體非宇宙學距離的證據。最後普遍為人接受的解釋歸於錯覺,並被寫入了教科書。

視超光速源發現的前提是VLBI技術的發展,也算是VLBI最重要的貢獻之一,其他設備很難達到所需的毫角秒級解析度。主要觀測方法就是在幾年的時間內追蹤同一個源的位置變化以求其自行。

左側是典型的視超光速源——3C273的10.65GHz射電圖在3年內的演化(圖片來源:Pearsonetal.1981)。現今發現的數十個源中,切向速度最大的已達到了光速的10倍甚至20倍左右。由切向速度反推出的噴流洛倫茲因子大多在5-10之間。

與視超光速密切關聯的是所謂的“DopplerBoosting”。當物體運動極接近光速時,朝向觀測者的噴流亮度被顯著放大,反之,背離觀測者的噴流亮度則會大大衰減。這正是許多活動星系只觀測到一側有顯著噴流的原因,也算是活動星系核統一的一大佐證。

現在,視超光速已經不是河外活動星系的專利了。1994年,銀河系中的GRS1915+105首次被發現存在視超光速噴流,切向速度約合1.25倍光速。GRS1915+105是銀河系中最明亮的X射線源之一,發現於1992年。根據理論,它應該是包含一顆緻密天體的雙星系統,緻密星進行著強烈的吸積作用。這與類星體中心特大質量黑洞的吸積過程有類似之處,且同樣擁有快速的光變現象和噴流,故名微類星體,有時也被稱作射電噴流X射線雙星。除GRS1915+105外,尚有GROJ1655-40等例子。不論如何,如此小尺度的天體將物質加速到接近光速的能力倒是讓人十分驚訝。

當然除了幾何效應導致的錯覺之外,對視超光速的其他解釋也存在,如快子,如非宇宙學紅移。但這些機制提出的問題比能夠解決的還要多,故而現在已鮮少有人考慮。

傳遞光速之光子-內部結構模型圖傳遞光速之光子-內部結構模型圖

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