синхротронное излучение

# тег · @ автор · ! учёный

Релятивистские электроны, влетая в магнитное поле, испытывают ускорение, перпендикулярное скорости, и излучают электромагнитные волны. Из-за высокой скорости излучение сосредоточено в узком конусе по направлению движения. Спектр синхротронного излучения широк — от радиодиапазона до рентгена. Мощность излучения растёт с энергией частицы и силой поля.

История

Впервые замечено в 1947 году инженерами на ускорителе-синхротроне, когда они увидели яркое свечение.

Как работает

Магнитное поле заставляет электроны двигаться по кругу, их путь искривляется, и они теряют энергию, испуская фотоны (частицы света). Этот свет выходит узким лучом вперёд, как из прожектора.

💡 Синхротронное излучение от гигантских струй (джетов) чёрных дыр настолько мощное, что видно в телескопы за миллиарды световых лет.

Синхротронное излучение — это электромагнитное излучение, испускаемое ультрарелятивистскими заряженными частицами, движущимися в магнитном поле по искривлённым траекториям. В астрофизике — ключевой механизм излучения радиогалактик, остатков сверхновых, аккреционных дисков. Излучение сильно поляризовано и имеет характерный степенной спектр I_ν ∝ ν^α, где типичный α ≈ −0.7. Механизм описывается в рамках классической электродинамики для заряда, движущегося с релятивистской скоростью. Важную роль играют эффект Доплера и аберрация света, сжимающие излучение в узкий конус.

История

Теоретически предсказано в 1944 году Д. Иваненко и И. Померанчуком, а также Ю. Швингером. Экспериментально обнаружено в 1947 году Ф. Х. Поллоком и группой инженеров General Electric на синхротроне с энергией 70 МэВ. В астрофизический обиход введено в 1950-х благодаря работам В. Л. Гинзбурга и других. Связано с уравнениями Максвелла, заложившими основу понимания электромагнитного излучения.

Как работает

Заряженная частица, двигаясь в магнитном поле B с релятивистской скоростью v, испытывает силу Лоренца, создающую центростремительное ускорение a = (e v B)/(γ m). Согласно уравнениям Максвелла, ускоренный заряд излучает электромагнитные волны. Для ультрарелятивистских частиц (γ ≫ 1) излучение сильно скошенно вперёд из-за релятивистского преобразования углов. Спектр излучения одного электрона пикует на частоте ν_c = (3/4π) (e B / m_e c) γ^2, а ансамбль частиц с распределением по энергиям даёт степенной спектр. В астрофизических источниках синхротронное излучение часто сочетается с обратным комптоновским рассеянием.

P = \frac{2}{3} \frac{e^4 B^2}{m_e^2 c^5} E^2

P — излучаемая мощность (Вт), e — элементарный заряд (≈1.6×10^{-19} Кл), B — индукция магнитного поля (Тл), m_e — масса электрона (≈9.11×10^{-31} кг), c — скорость света (≈3×10^8 м/с), E — кинетическая энергия электрона (Дж).

\nu_c = \frac{3}{4\pi} \frac{e B}{m_e c} \gamma^2

ν_c — частота (Гц), на которой спектр обрезается; e, B, m_e, c как ранее; γ — лоренц-фактор частицы (γ = 1/\sqrt{1 - v^2/c^2}).

Открытые проблемы и интересные факты

Механизмы ускорения частиц до ультрарелятивистских энергий в космических источниках; Роль синхротронного излучения в охлаждении частиц и обратная связь на динамику аккреционных потоков; Предельная яркостная температура синхротронных источников и проблема компактных радиоисточников

💡 Синхротронное излучение настолько яркое, что пучки на современных накопительных кольцах теряют мощность порядка нескольких мегаватт, что требует охлаждения и учитывается при проектировании космических аппаратов.

Пока нет статей

синхротронное излучение

История

Как работает

История

Как работает

История

Как работает

Открытые проблемы и интересные факты

Статьи по теме