超光速運動
超光速運動

天文学において、超光速運動とは、電波銀河、BL Lac天体、クエーサー、ブレーザー、そして最近ではマイクロクエーサーと呼ばれる銀河源において観測される、明らかに光速を超える運動のことである。これらの天体から放出される相対論的ジェットに沿って移動するエネルギーバーストは、光速を超える速度で固有運動することがある。これらの天体はすべてブラックホールを含むと考えられており、ブラックホールから高速で質量が放出されている。光のエコーもまた、見かけ上の超光速運動を生み出すことがある。[ 1 ]

説明

超光速運動は、遠方の物体が空を横切って移動する見かけの速度と、発生源で測定された実際の速度との差から生じる、より一般的な現象の特殊なケースとして発生します。[ 2 ]

このような物体の空を横切る動きを追跡する場合、その速度は距離を時間で割るだけで計算できます。地球からの距離が分かっており、物体の角速度を測定できる場合、速度は次のように計算できます。

見かけの速度 = 物体までの距離 × 角速度。

しかし、この計算は光の速度が有限であるという事実を考慮していないため、物体の実際の速度を算出することはできません。遠くの物体が空を横切る動きを測定する場合、遠くの物体からの光が地球に届くまでの距離が長いため、観測された速度と実際に起こった速度の間には大きな時間差が生じます。上記の計算における誤差は、物体が地球に向かう速度成分を持っている場合、物体が地球に近づくにつれてその時間差が小さくなるという事実に起因します。つまり、上記で計算された見かけの速度は実際の速度よりも速くなります。同様に、物体が地球から遠ざかっている場合、上記の計算では実際の速度が過小評価されます。

この効果自体は、通常、超光速運動の観測にはつながりません。しかし、物体の実際の速度が光速に近い場合、上記の効果の結果として、見かけの速度は光速よりも大きいと計算されます。物体の実際の速度が光速に近づくにつれて、地球に向かう速度成分が増加するため、この効果は最も顕著になります。つまり、ほとんどの場合、「超光速」物体はほぼ地球に向かってまっすぐ移動しています。しかし、必ずしもそうである必要はなく、地球に向かわないかなりの速度を持つ物体でも超光速運動が観測されます。[ 3 ]

超光速運動は、恒星やブラックホールの中心核から放射される2つの対向するジェットで最もよく観測されます。この場合、一方のジェットは地球から離れ、もう一方のジェットは地球に近づきます。両方のジェット源でドップラーシフトが観測されれば、速度と距離は他の観測結果とは独立して決定できます。

いくつかの反証

1983年、ジョドレルバンク天文台で開催された「超光速ワークショップ」では、当時知られていた7つの超光速ジェットについて言及され、

シリッツィは…（大規模な外縁ジェットを示す）秒角分解能の地図を提示した…これは…既知の超光速天体のうち、1つ（3C 273）を除くすべての天体において、外縁二重構造を明らかにした。残念なことに、外縁構造の（天空への）平均投影サイズは、通常の電波源集団のサイズと同程度である。[ 4 ]

言い換えれば、ジェットは平均的には地球の視線からそれほど離れていないようだ。（もし近い距離にあったら、見かけの長さはもっと短く見えるはずだ。）

1993年、トムソンらはクエーサー3C 273の（外側の）ジェットが地球の視線とほぼ一直線上にあることを示唆した。このクエーサーの（内側の）ジェットに沿って、最大約9.6 ℃の超光速運動が観測されている。[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]

M87のジェット内部では、最大6 ℃の超光速運動が観測されている。これを「狭角」モデルで説明すると、ジェットは地球の視線から19°以内にある必要がある。[ 8 ]しかし、証拠は、ジェットが実際には地球の視線に対して約43°の角度にあることを示唆している。[ 9 ]同じ科学者グループは後にこの発見を修正し、ジェットが埋め込まれた超光速のバルク運動を支持する主張を展開した。[ 10 ]

このような問題に対処するために、ジェット機の内部に乱流や「広い円錐」を形成するという提案がなされており、これにはいくつかの証拠があるようだ。[ 11 ]

信号速度

モデルは、波がその信号速度cで運ぶ情報と、波面の見かけの位置変化率に関する情報との間の違いを識別します。 光パルスが導波路 (ガラス管) 内を観測者の視野を横切って移動すると想定される場合、パルスは導波路内をcでのみ移動できます。 そのパルスも観測者に向けられている場合、観測者はcでその波情報を受け取ります。 導波路がパルスと同じ方向に動かされると、パルスからの横方向の放射として観測者に渡されるその位置情報が変わります。 観測者は、位置の変化率が、曲面を横切る影の端のように、計算上cよりも速い動きを表しているように見える場合があります。 これはパルスに対する異なる信号で、異なる情報が含まれており、特殊相対性理論の第二公理に違反しません。c はすべての局所場において厳密に維持されます。

見かけの速度の導出

活動銀河核の中心から噴出する相対論的なジェットは、速度vでABに沿って移動しており、点Oから観測される。時刻 に、光線が点Aからジェットから射出され、時刻 に別の光線が点Bから射出される。点Oの観測者は、それぞれ時刻とにこれらの光線を受信する。角度は十分に小さいため、2つの点の距離は等しいとみなせる。 t1{\displaystyle t_{1}}t2＝t1+δt{\displaystyle t_{2}=t_{1}+\delta t}t1′{\displaystyle t_{1}^{\prime}}t2′{\displaystyle t_{2}^{\prime}}ϕ{\displaystyle \phi }DL{\displaystyle D_{L}}

あB＝vδt{\displaystyle AB=v\,\delta t}
あC＝vδtコス⁡θ{\displaystyle AC=v\,\delta t\cos \theta }
BC＝vδt罪⁡θ{\displaystyle BC=v\,\delta t\sin \theta }
t2−t1＝δt{\displaystyle t_{2}-t_{1}=\delta t}
t1′＝t1+DL+vδtコス⁡θc{\displaystyle t_{1}'=t_{1}+{\frac {D_{L}+v\,\delta t\cos \theta }{c}}}
t2′＝t2+DLc{\displaystyle t_{2}'=t_{2}+{\frac {D_{L}}{c}}}
δt′＝t2′−t1′＝t2−t1−vδtコス⁡θc＝δt−vδtコス⁡θc＝δt（1−βコス⁡θ）{\displaystyle \delta t'=t_{2}'-t_{1}'=t_{2}-t_{1}-{\frac {v\,\delta t\cos \theta }{c}}=\delta t-{\frac {v\,\delta t\cos \theta }{c}}=\delta t(1-\beta \cos \theta )}、 どこβ＝v/c{\displaystyle \beta =v/c}
δt＝δt′1−βコス⁡θ{\displaystyle \delta t={\frac {\delta t'}{1-\beta \cos \theta }}}
BC＝DL罪⁡ϕ≈ϕDL＝vδt罪⁡θ⇒ϕDL＝v罪⁡θδt′1−βコス⁡θ{\displaystyle BC=D_{L}\sin \phi \approx \phi D_{L}=v\,\delta t\sin \theta \Rightarrow \phi D_{L}=v\sin \theta {\frac {\delta t'}{1-\beta \cos \theta }}}

に沿った見かけの横方向速度、CB{\displaystyle CB}vT＝ϕDLδt′＝v罪⁡θ1−βコス⁡θ{\displaystyle v_{\text{T}}={\frac {\phi D_{L}}{\delta t'}}={\frac {v\sin \theta }{1-\beta \cos \theta }}}

βT＝vTc＝β罪⁡θ1−βコス⁡θ。{\displaystyle \beta _{\text{T}}={\frac {v_{\text{T}}}{c}}={\frac {\beta \sin \theta }{1-\beta \cos \theta }}.}

見かけの横方向速度は角度（が使用される） で最大となる。0<β<1{\displaystyle 0<\beta <1}

∂βT∂θ＝∂∂θ[β罪⁡θ1−βコス⁡θ]＝βコス⁡θ1−βコス⁡θ−（β罪⁡θ）2（1−βコス⁡θ）2＝0{\displaystyle {\frac {\partial \beta _{\text{T}}}{\partial \theta }}={\frac {\partial }{\partial \theta }}\left[{\frac {\beta \sin \theta }{1-\beta \cos \theta }}\right]={\frac {\beta \cos \theta }{1-\beta \cos \theta }}-{\frac {(\beta \sin \theta )^{2}}{(1-\beta \cos \theta )^{2}}}=0}
⇒βコス⁡θ（1−βコス⁡θ）2＝（1−βコス⁡θ）（β罪⁡θ）2{\displaystyle \Rightarrow \beta \cos \theta (1-\beta \cos \theta )^{2}=(1-\beta \cos \theta )(\beta \sin \theta )^{2}}
⇒βコス⁡θ（1−βコス⁡θ）＝（β罪⁡θ）2⇒βコス⁡θ−β2コス2⁡θ＝β2罪2⁡θ⇒コス⁡θ最大＝β{\displaystyle \Rightarrow \beta \cos \theta (1-\beta \cos \theta )=(\beta \sin \theta )^{2}\Rightarrow \beta \cos \theta -\beta ^{2}\cos ^{2}\theta =\beta ^{2}\sin ^{2}\theta \Rightarrow \cos \theta _{\text{max}}=\beta }
⇒罪⁡θ最大＝1−コス2⁡θ最大＝1−β2＝1γ{\displaystyle \Rightarrow \sin \theta _{\text{max}}={\sqrt {1-\cos ^{2}\theta _{\text{max}}}}={\sqrt {1-\beta ^{2}}}={\frac {1}{\gamma }}\,}、 どこγ＝11−β2{\displaystyle \gamma ={\frac {1}{\sqrt {1-\beta ^{2}}}}}
∴βTmax=βsin⁡θmax1−βcos⁡θmax=β/γ1−β2=βγ{\displaystyle \therefore \beta _{\text{T}}^{\text{max}}={\frac {\beta \sin \theta _{\text{max}}}{1-\beta \cos \theta _{\text{max}}}}={\frac {\beta /\gamma }{1-\beta ^{2}}}=\beta \gamma }

（つまり、ジェットの速度が光速に近いとき）であるにもかかわらず、 となります。そしてもちろん、に沿った見かけの横方向の速度（天空で測定できる唯一の速度）は真空中の光速よりも大きい、つまり運動は明らかに超光速であることを意味します。 γ≫1{\displaystyle \gamma \gg 1}βTmax>1{\displaystyle \beta _{\text{T}}^{\text{max}}>1}β<1{\displaystyle \beta <1}βT>1{\displaystyle \beta _{\text{T}}>1}CB{\displaystyle CB}

歴史

ペルセウス新星を取り囲む微かな星雲の見かけ上の超光速運動は、1901年にチャールズ・ディロン・ペリンによって初めて観測されました。[ 12 ]「ペリン氏がクロスリー反射望遠鏡で撮影した1901年11月7日と8日の写真により、星雲の塊が明らかに運動しており、その速度はおそらくそれまでの観測値の数百倍もの速さであるという驚くべき発見がもたらされました。」[ 13 ]「彼は36インチ望遠鏡（クロスリー）を使用して、ペルセウス新星（1901年）の周囲で膨張する光の泡の見かけ上の超光速運動を発見しました。星雲と考えられていましたが、視覚的にそのように見えたのは、実際には新星爆発の光が恒星から外側へ移動する際に周囲の星間物質に反射されたためでした。ペリンはこの現象を写真、分光、偏光技術を用いて研究しました。」[ 14 ]

超光速運動は、1901年に爆発した新星ペルセウスGKの噴出物の中で、1902年にヤコブス・カプテインによって初めて観測されました。 [ 15 ] 彼の発見はドイツの天文雑誌「天文学ニュース」に掲載されましたが、数十年後まで英語圏の天文学者からはほとんど注目されませんでした。[ 16 ] [ 17 ]

1939年のクーデルクの論文[ 18 ]に続き、1966年にマーティン・リースは「適切な方向に相対論的に運動する物体は、遠くの観測者には光速よりもはるかに大きな横方向速度を持っているように見えることがある」と指摘した。[ 19 ] 1969年と1970年には、そのような源が電波銀河やクエーサーなどの非常に遠方の天体電波源として発見され、[ 20 ] [ 21 ] [ 22 ]超光速源と呼ばれた。この発見は超長基線干渉法と呼ばれる新しい技術によるもので、これにより天文学者は成分の角度サイズに制限を設け、ミリ秒角よりも正確に位置を決定し、特に固有運動と呼ばれる空の位置の変化を典型的には数年という期間で決定できるようになった。見かけの速度は最大で光速の 6 倍にもなり、観測された固有運動に距離を掛けることによって得られます。

超光速電波源に関するワークショップの導入部で、ピアソンとゼンサスは次のように報告した。

いくつかの天体の構造変化の最初の兆候は、1968年から1970年にかけて行われた一連の太平洋横断VLBI観測で、米国とオーストラリアの合同チームによって得られました（Gubbay et al. 1969）。[ 20 ]初期の実験に続いて、彼らはNASAの追跡アンテナがVLBI測定に潜在する可能性を認識し、カリフォルニアとオーストラリアの間に干渉計を設置しました。彼らが3C 279について測定した天体の視程の変化は、全磁束密度の変化と相まって、1969年に初めて観測された成分が約1ミリ秒角の直径に達したことを示し、少なくとも光速の2倍の見かけの速度で膨張していることを意味していました。Reesのモデルを認識していた[ 19 ]（Moffet et al. 1972）[ 23 ]は、彼らの測定がこの成分の相対論的な膨張の証拠を示していると結論付けました。この解釈は決して唯一のものではないが、後に確認され、後から考えてみると、彼らの実験は超光速膨張の最初の干渉測定であったと言っても過言ではないようだ。[ 24 ]

1994年、天の川銀河に超光速源、宇宙X線源GRS 1915+105が発見され、銀河の速度記録が樹立されました。この膨張ははるかに短い時間スケールで起こりました。数週間以内に、いくつかの独立した塊がペアになって、典型的には0.5秒角ずつ膨張する様子が観測されました。[ 25 ]クエーサーとの類似性から、この源はマイクロクエーサー と呼ばれました。

参照

注記

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