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En physique , l'effet Doppler ( ou effet de faisceau relativiste ) est le processus par lequel les effets relativistes modifient la luminosité apparente de la matière émettrice se déplaçant à des vitesses proches de celle de la lumière . En astronomie, cet effet se manifeste généralement par deux jets de plasma relativistes de directions opposées , issus d'un objet compact central en accrétion . L'accrétion d'objets compacts et les jets relativistes sont invoqués pour expliquer les binaires X , les sursauts gamma et, à une échelle beaucoup plus grande, les noyaux actifs de galaxies (AGN, dont les quasars sont une variété particulière).
Beaming affects the apparent brightness of a moving object. Consider a cloud of gas moving relative to the observer and emitting electromagnetic radiation. If the gas is moving towards the observer, it will be brighter than if it were at rest, but if the gas is moving away, it will appear fainter. The magnitude of the effect is illustrated by the AGN jets of the galaxies M87 and 3C 31 (see images at right). M87 has twin jets aimed almost directly towards and away from Earth; the jet moving towards Earth is clearly visible (the long, thin blueish feature in the top image at right), while the other jet is so much fainter it is not visible. In 3C 31, both jets (labeled in the lower figure at right) are at roughly right angles to our line of sight, and thus, both are visible. The upper jet points slightly more in Earth's direction and is therefore brighter.
Relativistically, moving objects are beamed due to a variety of physical effects. Light aberration causes most of the photons to be emitted along the object's direction of motion. The Doppler effect changes the energy of the photons by red- or blue shifting them. Finally, time intervals as measured by clocks moving alongside the emitting object are different from those measured by an observer on Earth due to time dilation and photon arrival time effects. How all of these effects modify the brightness, or apparent luminosity, of a moving object is determined by the equation describing the relativistic Doppler effect (which is why relativistic beaming is also known as Doppler beaming).
A simple jet model
The simplest model for a jet is one where a single, homogeneous sphere is travelling towards the Earth at nearly the speed of light. This simple model is also an unrealistic one, but it illustrates the physical process of beaming.
Synchrotron spectrum and the spectral index
Relativistic jets emit most of their energy via synchrotron emission. In our simple model, the sphere contains highly relativistic electrons and a steady magnetic field. Electrons inside the blob travel at speeds a tiny fraction below the speed of light and are whipped around by the magnetic field. Each change in direction by an electron is accompanied by the release of energy in the form of a photon. With enough electrons and a powerful enough magnetic field, the relativistic sphere can emit a huge number of photons, ranging from those at relatively weak radio frequencies to powerful X-ray photons.
Les caractéristiques d'un spectre synchrotron simple incluent, aux basses fréquences, l'opacité de la sphère du jet et l'augmentation de sa luminosité avec la fréquence jusqu'à un pic, puis son déclin. Cette fréquence maximale se situe à
Les variations de pente du spectre synchrotron sont paramétrées par un indice spectral . Cet indice spectral , α, sur une plage de fréquences donnée, correspond simplement à la pente sur un diagramme de
Équation rayonnante
Dans le modèle de jet simple d'une seule sphère homogène, la luminosité observée est liée à la luminosité intrinsèque comme
où
La luminosité observée dépend donc de la vitesse du jet et de l'angle par rapport à la ligne de visée, via l'effet Doppler.
L'équation de faisceau peut être décomposée en une série de trois effets :
- Aberration relativiste
- dilatation du temps
- décalage vers le bleu ou vers le rouge
Aberration
L'aberration est la modification de la direction apparente d'un objet due au mouvement transversal relatif de l'observateur. Dans les systèmes inertiels, elle est égale et opposée à la correction de temps de propagation de la lumière .
L'aberration est un phénomène bien connu dans la vie courante. Prenons l'exemple d'une personne debout sous la pluie par temps calme. Si elle reste immobile, les gouttes de pluie suivront une trajectoire rectiligne vers le sol. En revanche, si elle est en mouvement, par exemple en voiture, la pluie semblera arriver en biais. Ce changement apparent de la direction des gouttes de pluie est une aberration.
L'importance de l'aberration dépend de la vitesse de l'objet ou de l'onde émise par rapport à l'observateur. Dans l'exemple ci-dessus, il s'agirait de la vitesse d'une voiture par rapport à la vitesse de la pluie. Cela ne change pas lorsque l'objet se déplace à une vitesse proche de celle de l'observateur.
Dans le cas d'un jet relativiste, l'effet de faisceau (aberration d'émission) donne l'impression qu'une plus grande quantité d'énergie est émise vers l'avant, dans la direction de déplacement du jet. Dans le modèle simple d'un jet homogène, une sphère émet de l'énergie de manière égale dans toutes les directions dans son référentiel propre . Dans le référentiel propre de la Terre, la sphère en mouvement émet la majeure partie de son énergie dans sa direction de déplacement. L'énergie est donc « faisceau » dans cette direction.
Quantitativement, l'aberration explique une variation de luminosité de
dilatation du temps
La dilatation du temps est une conséquence bien connue de la relativité restreinte et explique une variation de la luminosité observée.
décalage vers le bleu ou vers le rouge
Le décalage vers le bleu ou vers le rouge peut modifier la luminosité observée à une fréquence particulière, mais il ne s'agit pas d'un effet de faisceau.
Le décalage vers le bleu explique un changement dans la luminosité observée de
Invariants de Lorentz
Une méthode plus sophistiquée pour dériver les équations de faisceau commence par la quantité
Terminologie
- rayonnant, rayonnant
- termes plus courts pour « rayonnement relativiste »
- bêta
- le rapport entre la vitesse du jet et la vitesse de la lumière, parfois appelé « bêta relativiste »
- cœur
- région d'une galaxie autour du trou noir central
- contre-jet
- Le jet situé de l'autre côté d'une source orientée presque dans la ligne de visée peut être très faible et difficile à observer.
- facteur Doppler
- une expression mathématique qui mesure l'intensité (ou la faiblesse) des effets relativistes dans les noyaux actifs de galaxies (AGN ), y compris le faisceau, en fonction de la vitesse du jet et de son angle par rapport à la ligne de visée avec la Terre
- spectre plat
- terme désignant un spectre non thermique qui émet une grande quantité d'énergie aux hautes fréquences par rapport aux basses fréquences
- luminosité intrinsèque
- la luminosité du jet dans le référentiel propre du jet
- jet (souvent appelé « jet relativiste »)
- Un flux de plasma à grande vitesse (proche de c) émanant de la direction polaire d'un noyau galactique actif (AGN).
- luminosité observée
- la luminosité du jet dans le référentiel de la Terre
- indice spectral
- α mesure la variation d'un spectre non thermique en fonction de la fréquence. Plus α est petit, plus l'énergie aux hautes fréquences est importante. Typiquement, α se situe entre 0 et 2.
- spectre raide
- terme désignant un spectre non thermique qui émet peu d'énergie aux hautes fréquences par rapport aux basses fréquences.
grandeurs physiques
- angle par rapport à la ligne de visée avec la Terre
- vitesse du jet
- luminosité intrinsèque
- Luminosité observée
- indice spectral
- Vitesse de la lumière
Expressions mathématiques
- bêta relativiste
- Facteur de Lorentz
- facteur Doppler