シンクロトロン放射

シンクロトロン放射（磁気制動放射とも呼ばれる）は、相対論的な荷電粒子がその速度に垂直な加速度（a⊥v ）を受けるときに放出される電磁放射である。これは、ある種の粒子加速器で人工的に生成されるか、磁場を通過する高速電子によって自然に生成される。このようにして生成される放射は特徴的な偏光を持ち、生成される周波数は電磁スペクトルの大部分に及ぶ可能性がある。^[1]

シンクロトロン放射は、加速が運動方向と平行なときに荷電粒子によって放射される制動放射に似ています。磁場内の粒子によって放射される放射の一般的な用語は、回転磁気放射であり、シンクロトロン放射は超相対論的な特殊なケースです。磁場内を非相対論的に移動する荷電粒子によって放射される放射は、サイクロトロン放射と呼ばれます。^[2]弱相対論的範囲（光速の約85％）の粒子の場合、放射はジャイロシンクロトロン放射と呼ばれます。^[3]

天体物理学では、例えば、ブラックホールの周りの荷電粒子の超相対論的な運動によってシンクロトロン放射が発生します。^{[4]発生源がブラックホールの周りの円形の}測地線に沿っている場合、運動が超相対論的領域にある光球に近い軌道でシンクロトロン放射が発生します。

シンクロトロン放射は、1947年4月24日、ニューヨーク州スケネクタディにあるゼネラル・エレクトリック研究所の70MeV電子シンクロトロンで、技術者のフロイド・ハーバーによって初めて観測されました。^{[5]これは最初に作られた}シンクロトロンではありませんでしたが、透明な真空管を備え、放射を直接観察できる最初のシンクロトロンでした。^[6]

ハーバート・ポロックは次のように述べている。^[7]

4月24日、ラングミュアと私は機械を操作し、いつものように電子銃とそれに関連するパルストランスを限界まで押し上げようとしていた。断続的な火花がいくつか発生したので、技術者に防護コンクリート壁の周りの鏡で観察するように頼んだ。彼はすぐに「管の中にアークが見えた」としてシンクロトロンをオフにするよう合図した。真空は依然として良好だったので、ラングミュアと私は壁の端まで行き、観察した。最初はチェレンコフ放射によるものではないかと考えたが、すぐにイヴァネンコ放射とポメランチュク放射が観測されていることが明らかになった。^[8]

マクスウェル方程式の直接的な帰結は、加速された荷電粒子は常に電磁放射を放射するということです。シンクロトロン放射は、典型的には磁場内で、相対速度で運動する荷電粒子が運動方向に対して垂直に加速される特殊なケースです。このような磁場では、ローレンツ力の法則で示されるように、磁場による力は常に運動方向と磁場の方向の両方に対して垂直です。

放射線によって運ばれるエネルギーは、相対論的なラーモアの公式（ SI単位系）によって求められる：^{[9] [10]}

$${\displaystyle P_{\gamma }={\frac {q^{2}}{6\pi \varepsilon _{0}c^{3}}}a^{2}\gamma ^{4}={\ frac {q^{2}c}{6\pi \varepsilon _{0}}}{\frac {\beta ^{4}\gamma ^{4}}{\rho ^{2}}},}$$ どこ

• ${\displaystyle \varepsilon_{0}}$は真空の誘電率であり、
• ${\displaystyle q}$粒子の電荷は
• ${\displaystyle a}$加速度の大きさ、
• ${\displaystyle c}$光の速度は
• ${\displaystyle \gamma}$はローレンツ因子であり、
• ${\displaystyle \beta =v/c}$、
• ${\displaystyle \rho}$粒子の軌道の曲率半径です。

放出電子にかかる力はアブラハム・ローレンツ・ディラック力によって与えられます。

平面内を移動する粒子によって放射が放出される場合、その放射はその平面内で観測されると直線偏光となり、小さな角度で観測されると円偏光となります。しかし、量子力学を考慮すると、この放射は光子の離散的なパケットとして放出され、量子励起と呼ばれる加速器内で大きな影響を及ぼします。与えられた加速度に対して、放出される光子の平均エネルギーは に比例し、放出率は に比例します。 ${\displaystyle \gamma^{3}}$${\displaystyle \gamma}$

円形加速器は、粒子が磁場内で偏向される際に常に磁気回転放射を発生する。しかし、放射の量と特性は、発生する加速の性質に大きく依存する。例えば、質量の違いにより、放射電力の式における係数は、電子が陽子の約10 ¹³倍の速度でエネルギーを放射することを意味する。 ^[11]${\displaystyle \gamma^{4}}$

円形加速器におけるシンクロトロン放射のエネルギー損失は、損失を補うためにビームに追加のエネルギーを供給しなければならないため、当初は厄介なものと考えられていました。しかし、1980年代初頭から、光源として知られる円形電子加速器が、研究のために意図的に強力なシンクロトロン放射ビームを生成するために構築されました。^[12]

シンクロトロン放射は天体によっても生成され、典型的には相対論的電子が磁場を螺旋状に通過する（したがって速度が変化する）場所で発生します。その特性には、べき乗則エネルギースペクトルと偏光の 2 つがあります。^[13]相対論的荷電粒子が存在する太陽系外磁場の研究において、最も強力なツールの 1 つと考えられています。既知の宇宙電波源のほとんどはシンクロトロン放射を放射しています。シンクロトロン放射は、大規模な宇宙磁場の強度を推定したり、星間および銀河間媒体の内容を分析したりするためによく使用されます。^[14]

このタイプの放射線は、 1956年にヤン・ヘンドリック・オールトとセオドア・ワルラーヴェンによってかに星雲で初めて検出され、 ^{[15]その数か月後に}ジェフリー・R・バービッジによってメシエ87が放出するジェットで検出されました。^{[16]これは、1953年の}イオシフ・S・シュクロフスキーの予測を裏付けるものでした。しかし、これはそれより前（1950年）にハンネス・アルヴェーンとニコライ・ヘルロフソンによって予測されていました。 ^[17]太陽フレアは、このように放出される粒子を加速します。これは、1948年にR・ジョヴァネッリによって示唆され、1952年にJH・ピディントンによって説明されました。^[18]

TK Breus 氏は、天体物理学的シンクロトロン放射の歴史に関する優先順位の問題は複雑であると指摘し、次のように書いている。

特に、ロシアの物理学者VLギンズブルグはI.S.シュクロフスキーとの関係を断ち切り、18年間彼と話をしなかった。西側では、トーマス・ゴールドとサー・フレッド・ホイルがH.アルヴェーンとN.ヘルロフソンと論争し、KOキーペンホイアーとG.ハッチンソンは彼らから無視された。^{[説明が必要] [19]}

超大質量ブラックホールは、その極性磁場内でのイオンの重力加速によって生成される「ジェット」でシンクロトロン放射を生成すると示唆されている。観測されている最も近いジェットは、銀河メシエ 87の中心核からのものである。このジェットは、地球のフレームから観測すると超光速運動の錯覚を引き起こす点で興味深い。この現象は、ジェットが光速に非常に近く、観測者に対して非常に小さな角度で移動するために発生する。高速ジェットは経路のあらゆる地点で光を発しているため、その発する光はジェット自体よりもはるかに速く観測者に近づくことはない。したがって、数百年かけて発せられた光は、はるかに短い期間で観測者に到達し、実際には特殊相対性理論に違反していないにもかかわらず、光より速く移動しているという錯覚を与える。^[20]

シンクロトロン放射が重要な天体源の1つに、プレリオンとしても知られるパルサー風星雲があり、かに星雲とそれに関連するパルサーがその典型である。かに星雲からのパルス放射ガンマ線は、最近≥25 GeVまで観測されているが^[21] 、これはおそらくパルサー周囲の強い磁場に閉じ込められた電子によるシンクロトロン放射によるものと考えられる。かに星雲の0.1～1.0 MeVのエネルギーでの偏光^[22]は、シンクロトロン放射のこの典型的な特性を示している。

星間物質と銀河間物質の磁気環境について知られていることの多くは、シンクロトロン放射の観測から得られています。物質中を移動する宇宙線電子は相対論的プラズマと相互作用し、地球上で検出されるシンクロトロン放射を放出します。放射の特性により、天文学者はこれらの領域の磁場の強度と方向について推測することができます。しかし、相対論的電子密度を知らなければ、磁場の強度を正確に計算することはできません。^[14]

恒星が超新星爆発を起こすと、最も速い噴出物は半相対論的な速度、つまり光速の約10%で移動する。^[23]この爆風は周囲の磁場内で電子を回転させてシンクロトロン放射を発生させ、放射場所における爆風の半径を明らかにする。^[24]シンクロトロン放射は衝撃波の前面の磁場の強さや衝撃波が遭遇する恒星周縁の密度も明らかにすることができるが、磁場、陽子の運動エネルギー、電子の運動エネルギーの間のエネルギー配分の選択に大きく依存する。電波シンクロトロン放射により、天文学者は恒星の死の直前に起こる質量損失や恒星風について解明することができた。^{[25] [26]}

• 制動放射線 – 荷電粒子の減速による電磁放射
• サイクロトロンの回転率
• サイクロトロン放射 – 磁場によって偏向された荷電粒子から放出される放射線
• 自由電子レーザー – 真空中の電子ビームを増幅媒体として使用するレーザー
• 放射線反応 – 加速する荷電粒子に対する反動力リダイレクト先の簡単な説明を表示するページ
• 相対論的ビーミング – 特殊相対性理論による移動物体の明るさの変化
• ソコロフ・テルノフ効果 – スピン偏極の物理現象
• シンクロトロン機能

• Brau, Charles A. Modern Problems in Classical Electrodynamics. Oxford University Press, 2004. ISBN 0-19-514665-4 . 
• ジャクソン、ジョン・デイビッド。古典電気力学。ジョン・ワイリー・アンド・サンズ、1999年。ISBN 0-471-30932 -X 
• Ishfaq Ahmad、D.Sc.「シンクロトロン放射を用いた相対振動子強度の測定」(PDF)。物理学の最前線に関する全国シンポジウム議事録、国立理論物理学センター。パキスタン物理学会。2012年1 月 16 日閲覧。

• 宇宙磁気制動放射（シンクロトロン放射）、Ginzburg, VL、Syrovatskii, SI、ARAA、1965年
• シンクロトロン放射とその再吸収の理論の発展、Ginzburg, VL、Syrovatskii, SI、ARAA、1969年
• ライトソース
• BioSync – 構造生物学者のための高エネルギーデータ収集施設のリソース
• X線データブックレット