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2007-11-19

关于视超光速现象

归档于: 天文空间科学, 知识理论 @ 1:14 pm

视超光速最早应该是由Martin Rees在1966年预言的,结果发表在当年的一期Nature杂志上,也算是大牛Rees的早期工作之一。其实个人看来很奇怪是一点是,为什么直到1966年才有人预言到这一现象,明明原理并不复杂。也许是当时的人们没有考虑过这方面的问题吧。所以直到1970年代真正发现视超光速源之后,理论解释才开始变得引人注目。

视超光速是因光速有限导致的纯粹几何效应,解释甚至可以不使用任何相对论相关的概念,更不用关心烦人的相速度和群速度关系。借用Rybicki在Radiactive Processes in Astrophysics一书中给出的图景,设某天体的运动如右图所示,在t时间段内从图中的顶点运动到黑点处,速度为v是速度与观测者视线方向的夹角。显而易见的是,运动的这段距离对于观测者的投影是。若黑点处与观测者距离为R,顶点处的距离则为。黑点发出辐射的时间比顶点处要晚t,故两处辐射到达观测者的时间差为(这也可以由相对论性多普勒效应公式直接得出),此数值小于真实的时间间隔t。由此,观测者看来,天体运动的投影速度是

更形象的图景可以参考下图:

由此可求出观测者所见的切向投影速度的最大值,合是洛伦兹因子。此时的正弦值是洛伦兹因子的倒数,接近于0,也就是说此时接近0。显然,只要v足够大(洛伦兹因子远大于1),而且取向合适(大致沿视线方向),切向速度超过光速是必然的。

关于视超光速源的发现史,倒是查到了多种说法:有说是1970年首次发现,有说是1972年在3C120中首次发现,还有说是1973年在3C279中首次发现,总之是和活动星系核(确切地说是活动星系核的喷流)分不开。视超光速源发现后免不了引起轰动,毕竟根据相对论,物体运动速度以光速为上限。该现象甚至一度成为类星体非宇宙学距离的证据。最后普遍为人接受的解释归于几何错觉,并被写入了教科书。

视超光速源发现的前提是VLBI技术的发展,也算是VLBI最重要的贡献之一,其他设备很难达到所需的毫角秒级分辨率。主要观测方法就是在几年的时间内追踪同一个源的位置变化以求其自行。

左侧是典型的视超光速源——3C273的10.65 GHz射电图在3年内的演化(图片来源:Pearson et al. 1981)。现今发现的数十个源中,切向速度最大的已达到了光速的10倍甚至20倍左右。由切向速度反推出的喷流洛伦兹因子大多在5-10之间。

与视超光速密切关联的是所谓的“Doppler Boosting”。当物体运动极接近光速时,朝向观测者的喷流亮度被显著放大,反之,背离观测者的喷流亮度则会大大衰减。这正是许多活动星系只观测到一侧有显著喷流的原因,也算是活动星系核统一模型的一大佐证。

现在,视超光速已经不是河外活动星系的专利了。1994年,银河系中的GRS 1915+105首次被发现存在视超光速喷流,切向速度约合1.25倍光速。GRS 1915+105是银河系中最明亮的X射线源之一,发现于1992年。根据理论,它应该是包含一颗致密天体的双星系统,致密星进行着强烈的吸积作用。这与类星体中心特大质量黑洞的吸积过程有类似之处,且同样拥有快速的光变现象和喷流,故名微类星体,有时也被称作射电喷流X射线双星。除GRS 1915+105外,尚有GRO J1655-40等例子。不论如何,如此小尺度的天体将物质加速到接近光速的能力倒是让人十分惊讶。

当然除了几何效应导致的错觉之外,对视超光速的其他解释也存在,如快子,如非宇宙学红移。但这些机制提出的问题比能够解决的还要多,故而现在已鲜少有人考虑。

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