E11 Spezielle Relativitätstheorie in der Astrophysik

Thema

Das Schlüsselelement dieses Modells ist der Lorentzfaktor. Er misst, wie stark die Geschwindigkeit eines Teilchens oder eines Materiestroms von der Ruhegeschwindigkeit abweicht und erreicht in der Hochenergie-Astrophysik – bei den Jets aktiver Atomkerne, Pulsaren, kosmischer Strahlung und relativistischen Supernovae – Werte zwischen zehn und einer Million.

Die Tatsache, dass dieser Lorentzfaktor mit Annäherung der Geschwindigkeit eines Objekts an die Lichtgeschwindigkeit zunimmt, bedeutet, dass gleichzeitig die effektive Trägheitsmasse des Objekts steigt, seine Zeit dehnt sich aus und die in Bewegungsrichtung gemessenen Längen sich verkürzen.

Das Verhältnis zwischen Energie und Impuls desselben Objekts reduziert sich im Ruhezustand auf die bekannte Äquivalenz von Masse und Energie. Im entgegengesetzten Extremfall, wenn das Objekt keine Masse besitzt und sich exakt mit Lichtgeschwindigkeit bewegt – wie im Fall von Photonen –, reduziert es sich auf ein rein proportionales Verhältnis zwischen Energie und Impuls.

Der relativistische Doppler-Effekt bewirkt eine Rotverschiebung der Strahlung eines Objekts, wenn es sich vom Beobachter entfernt, und eine Blauverschiebung, wenn es sich auf ihn zubewegt. Bei Jets mit einem sehr hohen Lorentzfaktor, die nahezu direkt auf den Beobachter gerichtet sind, verstärkt dieser relativistische Doppler-Effekt die Emission enorm, weit über das hinaus, was dieselbe Quelle im Ruhezustand erzeugen würde.

Synchrotronstrahlung, erzeugt durch relativistische Elektronen – also Elektronen mit einem hohen Lorentzfaktor –, die sich in einem Magnetfeld drehen, führt zu einem Potenzgesetzspektrum und dominiert die Strahlung von Radiogalaxien, Pulsarnebeln und Supernovaüberresten. Ausgehend vom Lorentzfaktor, mit dem dieses Dokument beginnt, bis hin zur Synchrotronstrahlung, mit der es endet, und unter Berücksichtigung der Beziehung zwischen Energie und Impuls sowie des relativistischen Doppler-Effekts bewirkt die spezielle Relativitätstheorie, dass derselbe Lorentzfaktor, je nachdem, wie extrem sein Wert ist und wo der ihn erreichende Fluss liegt, die effektive Masse, die beobachtete Verschiebung und das endgültige Spektrum der Hochenergiestrahlung bestimmt.

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