E11 Relativité restreinte en astrophysique

Topique

L'élément clé de ce modèle est le facteur de Lorentz, la grandeur qui mesure l'écart de la vitesse d'une particule ou d'un flux de matière par rapport à l'état de repos, et qui, en astrophysique des hautes énergies — jets de noyaux actifs, pulsars, rayons cosmiques et supernovae relativistes — atteint des valeurs allant de dix à un million.

Le fait que ce facteur de Lorentz augmente à mesure que la vitesse d'un objet approche celle de la lumière signifie que, simultanément, la masse inertielle effective de cet objet augmente, son propre temps se dilate et les longueurs mesurées dans la direction de son mouvement se contractent.

La relation entre l'énergie et la quantité de mouvement de ce même objet se réduit, lorsque l'objet est au repos, à l'équivalence bien connue entre masse et énergie, et se réduit, à l'extrême opposé, lorsque l'objet est sans masse et se déplace exactement à la vitesse de la lumière — comme c'est le cas pour les photons — à une relation purement proportionnelle entre son énergie et sa quantité de mouvement.

L'effet Doppler relativiste provoque un décalage vers le rouge du rayonnement d'un objet lorsqu'il s'éloigne de l'observateur et un décalage vers le bleu lorsqu'il s'en rapproche. Dans les jets à facteur de Lorentz très élevé, pointant presque directement vers l'observateur, ce même effet Doppler relativiste amplifie considérablement l'émission, bien au-delà de ce que produirait la même source au repos.

L'émission synchrotron, produite par des électrons relativistes (c'est-à-dire des électrons possédant un facteur de Lorentz élevé) en rotation dans un champ magnétique, donne lieu à un spectre en loi de puissance et domine le rayonnement des radiogalaxies, des nébuleuses de pulsars et des restes de supernova. Ainsi, du facteur de Lorentz qui ouvre ce document jusqu'à l'émission synchrotron qui le conclut, en passant par la relation entre l'énergie et l'impulsion et l'effet Doppler relativiste, la relativité restreinte fait que ce même facteur de Lorentz, selon son extrême valeur et la direction du flux qui l'atteint, détermine la masse effective, le décalage observé et le spectre final du rayonnement de haute énergie.

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