초광속 운동

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1. 개요
2. 설명
- 2.1. 겉보기 속력
  - 2.1.1. 겉보기 속력 유도
  - 2.1.2. 신호 속도
- 2.2. 일부 반증
3. 역사
참조

1. 개요

초광속 운동은 빛의 속도보다 빠르게 움직이는 것처럼 보이는 현상으로, 제트가 관찰자를 향해 작은 각도로 광속에 가깝게 움직일 때 발생한다. 이 현상은 주로 별이나 블랙홀에서 뿜어져 나오는 두 개의 반대 방향 제트에서 관찰되며, 도플러 효과를 통해 속도와 거리를 측정할 수 있다. 겉보기 속력은 물체의 실제 속도와는 다른 방식으로 계산되며, 특히 물체의 실제 속도가 광속에 가까울 때 겉보기 속도가 광속보다 커질 수 있다. 초광속 운동은 1901년 찰스 딜런 페린에 의해 처음 관측되었으며, 마틴 리스의 이론을 통해 설명되었다. 이후 전파 은하나 퀘이사에서 발견되었으며, 초장기선 간섭계 기술의 발전으로 관측이 가능해졌다.

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초광속 운동
개요
유형	천문학적 관측
관련 현상	상대론적 제트, 광도 메아리
설명	보이는 속도가 빛의 속도보다 빠른 현상
원인
기하학적 효과	관측 방향과 물체의 실제 운동 방향 사이의 각도 때문에 발생
착시	실제 속도는 빛의 속도보다 느림
예시
상대론적 제트	퀘이사 및 활동 은하핵에서 관측됨
광도 메아리	신성, 초신성과 같은 천체의 폭발 현상에서 관측됨
기타
중요성	천체의 물리적 특성 및 운동을 이해하는 데 도움을 줌

2. 설명

이 현상은 제트가 관측자 앞쪽으로 거의 작은 각도로 빛의 속도에 근접하여 움직이기 때문에 나타난다. 고에너지 제트가 지나온 모든 지점에서 빛을 방출하기 때문에, 이 빛은 제트 자체보다 더 빨리 관측자에게 도달하지 못한다. 이로 인해 수백 년 동안 제트가 움직이며 방출한 빛은 프런트엔드(가장 처음으로 방출한 빛)와 백엔드(가장 나중에 방출한 빛) 사이 거리가 수백 광년보다 짧아져, 빛들은 10-20년이라는 매우 짧은 시간 동안 관측자에게 도달하게 된다. 이는 빛의 속도보다 더 빠르게 이동했다는 착각을 준다.^[42]

이 설명은 제트가 관측자의 시선과 충분히 작은 각도를 이루며 다가와야만 특정 경우에 초광속 운동을 하는 것처럼 보이는 것을 설명할 수 있다.^[42]

초광속 운동은 종종 하나는 지구 반대편으로, 하나는 지구 쪽으로 방출하는 서로 반대의 두 제트에서 잘 보인다. 만약 두 제트 기원에서 도플러 효과가 관측된다면 다른 관측자는 또 다른 속도와 거리가 측정될 수 있다. 초광속 운동은 하늘을 가로질러 움직이는 멀리 떨어진 물체의 겉보기 속도와 발원지에서 측정된 실제 속도 간의 차이에서 발생하는 더 일반적인 현상의 특수한 경우로 발생한다.^[2]

하늘을 가로질러 이러한 물체의 움직임을 추적할 때, 단순한 거리 나누기 시간 계산으로 그 속도를 계산할 수 있다. 지구로부터 물체의 거리를 알고 있다면, 물체의 각속도를 측정할 수 있으며, 다음과 같은 방식으로 속도를 계산할 수 있다.

: ''겉보기 속도 = 물체까지의 거리 × 각속도.''

이 계산은 빛의 속도가 유한하다는 사실을 고려하지 못하므로, 물체의 실제 속도를 산출하지 못한다. 하늘을 가로질러 멀리 떨어진 물체의 움직임을 측정할 때, 우리가 관찰한 것과 발생한 것 사이에는 큰 시간 지연이 있는데, 이는 멀리 떨어진 물체에서 오는 빛이 우리에게 도달하기 위해 이동해야 하는 거리가 크기 때문이다. 위의 계산의 오류는 물체가 지구를 향하는 속도 성분을 가지고 있을 때, 물체가 지구에 더 가까이 이동함에 따라 그 시간 지연이 더 작아진다는 사실에서 비롯된다. 이는 위에서 계산한 겉보기 속도가 실제 속도보다 *크다*는 것을 의미한다. 반대로, 만약 물체가 지구에서 멀어지고 있다면, 위의 계산은 실제 속도를 과소평가하게 된다.

이러한 효과 자체가 일반적으로 초광속 운동이 관찰되는 결과를 초래하지는 않는다. 그러나 물체의 실제 속도가 빛의 속도에 가까울 때, 위의 효과의 결과로 겉보기 속도가 빛의 속도보다 더 크게 관찰될 수 있다. 물체의 실제 속도가 빛의 속도에 가까워짐에 따라, 지구를 향하는 속도 성분이 증가함에 따라 효과가 가장 두드러진다. 이는 대부분의 경우, '초광속' 물체가 거의 지구를 직접적으로 향해 이동하고 있음을 의미한다. 그러나 이것이 반드시 필요한 것은 아니며, 지구를 향하지 않는 상당한 속도를 가진 물체에서도 초광속 운동이 관찰될 수 있다.^[3]

2. 1. 겉보기 속력

초광속 운동은 제트가 관측자 쪽으로 매우 작은 각도로 빛의 속도에 가깝게 움직이기 때문에 나타나는 현상이다. 제트가 경로를 따라 방출하는 빛은 제트 자체보다 관측자에게 더 빨리 도달하지 못한다. 이 때문에 수백 년 동안 제트가 움직이며 방출한 빛은, 마치 매우 짧은 시간(10~20년) 동안 이동한 것처럼 보이게 되어, 빛보다 더 빠르게 이동했다는 착각을 일으킨다.^[42]

이러한 현상은 제트가 관측자의 시선과 충분히 작은 각도를 이루며 다가올 때만 설명 가능하다.^[42] 초광속 운동은 주로 한쪽은 지구를 향하고 다른 한쪽은 지구 반대편으로 향하는 두 개의 반대 제트에서 관측된다. 두 제트에서 나오는 빛의 도플러 효과를 관측하면, 제트의 속도와 거리를 다른 관측과 독립적으로 측정할 수 있다.

초광속 운동은 광속으로 전달되는 파동의 정보와 파면의 실제 위치 변화율의 차이로 설명할 수 있다. 관측자의 시야를 가로지르는 파관(유리관) 내의 빛 펄스를 예로 들어보자. 펄스는 파관 내에서 광속으로 움직이지만, 펄스가 관측자를 향해 움직일 때도 파동의 정보는 광속으로 전달된다. 하지만 도파관 자체가 움직이면 펄스의 위치 정보가 관측자에게 다르게 전달되어, 관측자는 위치 변화율이 마치 빛보다 빠르게 움직이는 것처럼 착각하게 된다. 그러나 이것은 실제로는 다른 위치에 있는 다른 펄스의 위치 정보이며, 특수 상대성이론의 광속 불변 법칙에 위배되지 않는다.

2. 1. 1. 겉보기 속력 유도

활동은하핵의 중심에서 상대론적 제트가 속력 ''v''로 AB를 따라 움직인다고 가정한다. 관측자는 점 O에서 제트를 관측하고 있다. 시간

t_1

일 때 점 A에서 제트가 광선을 방출하고,

t_2

일 때 점 B에서 또 다른 광선이 방출된다. O의 관측자는 각각

t_1^\prime

와

t_2^\prime

일 때 광선을 관측한다. 이때, 두 광선이 방출된 지점 사이의 각도

\phi

는 극히 작아

D_L

로 표시된 두 지점과 O 사이의 거리는 모두 같다고 가정한다.

:

AB = v\delta t

:

AC = v\delta t \cos\theta

:

BC = v\delta t \sin\theta

:

t_2-t_1 = \delta t

:

t_1' = t_1 + \frac{D_L + v\delta t \cos\theta}{c}

:

t_2' =t_2 + \frac{D_L}{c}

:

\delta t' = t_2' - t_1' = t_2 - t_1 - \frac{v\delta t \cos\theta}{c} = \delta t - \frac{v\delta t \cos\theta}{c} = \delta t (1-\beta \cos\theta)

, 여기서

\beta=v/c

:

\delta t = \frac{\delta t'}{1-\beta\cos\theta}

:

BC = D_L\sin\phi \approx \phi D_L = v\delta t \sin\theta \Rightarrow \phi D_L = v\sin\theta\frac{\delta t'}{1-\beta\cos\theta}

CB

를 따라 보이는 횡단속도는

v_\text{T} = \frac{\phi D_L}{\delta t'}=\frac{v\sin\theta}{1-\beta\cos\theta}

이다.

:

\beta_\text{T} = \frac{v_\text{T}}{c} = \frac{\beta\sin\theta}{1-\beta\cos\theta}.

겉보기 횡단속도는 각도에 따라 최대값을 가진다.(단

0 <\beta < 1

)

:

\frac{\partial\beta_\text{T}}{\partial\theta} = \frac{\partial}{\partial\theta} \left[\frac{\beta\sin\theta}{1-\beta\cos\theta}\right] = \frac{\beta\cos\theta}{1-\beta\cos\theta} - \frac{(\beta\sin\theta)^2}{(1-\beta\cos\theta)^2} = 0

:

\Rightarrow \beta\cos\theta(1-\beta\cos\theta)^2 = (1 - \beta\cos\theta) (\beta\sin\theta)^2

:

\Rightarrow \beta\cos\theta (1-\beta\cos\theta) = (\beta\sin\theta)^2 \Rightarrow \beta\cos\theta - \beta^2\cos^2\theta = \beta^2\sin^2\theta \Rightarrow \cos\theta_\text{max} = \beta

:

\Rightarrow \sin\theta_\text{max} = \sqrt{1-\cos^2\theta_\text{max}} = \sqrt{1-\beta^2} = \frac{1}{\gamma}

, 여기서

\gamma=\frac{1}{\sqrt{1-\beta^2}}

:

\therefore \beta_\text{T}^\text{max} = \frac{\beta\sin\theta_\text{max}}{1-\beta\cos\theta_\text{max}} = \frac{\beta/\gamma}{1-\beta^2} = \beta\gamma

만약

\gamma \gg 1

이라면(즉, 제트의 속도가 광속에 가까울 때)

\beta < 1

에도 불구하고

\beta_\text{T}^\text{max} > 1

이다. 또한,

\beta_\text{T} > 1

라는 것은 관측자가 측정할 수 있는 천구에서의 유일한 속력인

CB

사이의 횡단속도가 진공에서의 광속보다 더 크게 보인다는 것을 의미하며, 이는 겉보기에 초광속 운동을 하는 것처럼 보인다.^[42]

2. 1. 2. 신호 속도

초광속 운동은 멀리 떨어진 물체의 겉보기 속도와 실제 속도 간의 차이 때문에 발생한다.^[2] 하늘을 가로질러 움직이는 물체의 속도를 단순히 거리와 시간을 나누어 계산하면, 빛의 속도가 유한하다는 사실을 고려하지 않아 실제 속도와 다른 겉보기 속도를 얻게 된다. 물체가 지구를 향해 움직일 때는 겉보기 속도가 실제 속도보다 크게 계산되고, 멀어질 때는 겉보기 속도가 실제 속도보다 작게 계산된다.

물체의 실제 속도가 빛의 속도에 가까울 때, 이러한 효과는 더욱 두드러져 겉보기 속도가 빛의 속도보다 더 크게 관찰될 수 있다.^[3] 이는 대부분 물체가 지구를 직접 향해 움직이는 경우에 해당하지만, 반드시 그런 것은 아니다.

초광속 운동은 주로 별이나 블랙홀 핵에서 나오는 두 개의 반대 방향 제트에서 관찰된다. 한 제트는 지구에서 멀어지고 다른 제트는 지구를 향해 움직일 때, 도플러 효과를 통해 속도와 거리를 독립적으로 결정할 수 있다.

이 현상은 관측자를 향해 작은 각도로 움직이는, 빛의 속도에 매우 가까운 제트에 의해 발생한다. 제트가 방출하는 빛은 제트 자체보다 빠르게 관측자에게 도달하지 않지만, 제트가 수백 년 동안 이동하면서 방출한 빛이 짧은 시간 안에 도달하면서 초광속 현상이 나타나는 것처럼 보이게 된다.^[25]

이 모델은 파동이 전달하는 정보의 신호 속도와 파동 선단의 겉보기 위치 변화 속도를 구분한다. 도파관 안의 빛 펄스를 예로 들면, 펄스는 도파관 안에서만 움직이지만, 도파관 자체가 움직이면 펄스의 위치 정보가 변화하여 겉보기 속도가 빛의 속도를 초과하는 것처럼 보일 수 있다. 그러나 이는 실제 신호와 다르며, 특수 상대성 이론을 위반하지 않는다.

2. 2. 일부 반증

1983년, 조드럴 뱅크 천문대에서 열린 "초광속 운동 워크숍"에서는 당시 알려진 7개의 초광속 운동 제트에 대해 다음과 같이 언급했다.

> 스치르지는 ... [거대 외부 제트를 보여주는] 아크초 단위 해상도의 지도를 보여주며 ... 거기서는 ... 단 하나(3C 273)를 제외한 그동안 알려진 모든 초광속 운동 제트의 외부 이중구조를 보여주었다. 당혹스러웠던 지점은 [천구에서] 외부 구조의 평균 투영 크기는 보통의 전파 방출 천체의 크기보다 작았다는 것이다.^[43]

이는 제트가 평균적으로 우리의 시선과 가까운 곳에 있지 않다는 것을 의미한다.

1993년, 톰슨 등의 학자들은 3C 273 퀘이사의 외부 제트가 우리의 시선과 거의 동일한 선에 놓여 있다고 추측했다. 이 퀘이사의 (내부) 제트를 따라 최대 9.6''c''에 달하는 초광속 운동이 관측되었다.^[44]

처녀자리 A 은하의 제트 안쪽에서는 최대 6''c''에 달하는 초광속 운동이 관측되었다. "좁은 각도" 모델에서 설명하는 초광속 운동은 제트와 우리의 시선이 최대 19° 이내여야 설명이 가능했다.^[45] 하지만, 이 제트를 관측한 결과 우리 시선과 대략 43°정도 떨어져 있었음이 발견되었다.^[46] 이 같은 과학자 그룹들은 나중에 발견을 보강하여 제트 내에 초광속 운동이 있었다고 주장했다.^[47]

이와 같은 초광속 운동 문제를 해결하기 위하여, 제트 내에 발생하는 난기류 및 "거대한 원뿔운동"이 겉보기 속력이 초광속인 것으로 보이게 만든다고 주장했으며 실제로 이런 가설을 뒷받침하는 증거들이 있는 것으로 보인다.^[48]

3. 역사

초광속 운동은 1901년 찰스 딜런 페린이 페르세우스자리의 신성을 둘러싼 희미한 성운에서 처음 관측했다.^[12] 페린은 크로슬리 반사경을 통해 이전까지 관측된 속도보다 수백 배나 빠른 속도로 움직이는 것처럼 보이는 성운 덩어리들을 발견했다.^[13] 그는 36인치 망원경을 사용하여 이 현상을 연구했는데, 이는 별에서 빛이 바깥으로 이동하면서 주변의 성간 물질에서 반사된 빛에 의해 발생한 것이었다.^[14]

1902년 야코부스 카프테인은 1901년에 폭발한 신성 GK 페르세이의 방출물에서 초광속 운동을 관측했다.^[15] 그의 발견은 독일어 저널 ''천문학 소식''에 게재되었으나, 수십 년이 지난 후에야 영어권 천문학자들의 주목을 받았다.^[16]^[17]

1966년, 마틴 리스는 "적절한 방향으로 상대론적으로 움직이는 물체는 먼 관찰자에게 빛의 속도보다 훨씬 큰 횡방향 속도를 갖는 것처럼 보일 수 있다"고 지적했다.^[18] 1969년과 1970년에 그러한 천체들이 매우 멀리 떨어진 천문학적 전파원, 예를 들어 전파 은하와 퀘이사에서 발견되었으며,^[19]^[20]^[21] 초광속원으로 불렸다. 이 발견은 초장기선 간섭계라는 새로운 기술 덕분이었는데, 이 기술로 천문학자들은 구성 요소의 각 크기를 제한하고 밀리각초보다 더 정확하게 위치를 결정할 수 있었고, 특히 하늘에서의 위치 변화, 즉 고유 운동을 일반적으로 수년의 기간 동안 결정할 수 있었다. 겉보기 속도는 관측된 고유 운동에 거리를 곱하여 얻으며, 이는 빛의 속도의 6배까지 될 수 있었다.

피어슨과 젠서스는 초광속 전파원에 대한 워크숍 서론에서 다음과 같이 보고했다.

> 1968년과 1970년 사이에 이루어진 일련의 태평양 횡단 VLBI 관측에서 미국-호주 팀이 일부 천체의 구조 변화에 대한 첫 번째 징후를 얻었다(Gubbay et al. 1969).^[19] 초기 실험 이후, 그들은 VLBI 측정을 위한 NASA 추적 안테나의 잠재력을 깨닫고 캘리포니아와 호주 사이에 작동하는 간섭계를 설치했다. 그들이 3C 279에 대해 측정한 천체의 가시성의 변화는 총 플럭스 밀도의 변화와 결합되어 1969년에 처음 관측된 구성 요소가 약 1 밀리각초의 직경에 도달했으며, 이는 적어도 빛의 속도의 두 배의 겉보기 속도로 팽창함을 의미했다. 리스의 모델^[18]을 알고 있던 (Moffet et al. 1972)^[22]는 그들의 측정이 이 구성 요소의 상대론적 팽창에 대한 증거를 제시한다고 결론지었다. 이 해석은 유일무이한 것은 아니었지만, 나중에 확인되었으며, 뒤돌아보면 그들의 실험이 초광속 팽창에 대한 최초의 간섭 측정이라고 말하는 것이 타당하다.^[23]

1994년에는 은하수의 우주 엑스선원인 GRS 1915+105에서 초광속원이 발견되면서 은하 속도 기록이 세워졌다. 팽창은 훨씬 짧은 시간 척도로 발생했다. 여러 개의 개별 덩어리가 일반적으로 0.5 각초 내에서 몇 주 안에 쌍으로 팽창하는 것이 관측되었다.^[24] 퀘이사와 유사하기 때문에 이 천체는 마이크로퀘이사라고 불렸다.

참조

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_[2] 논문 Considerations about the apparent superluminal expansions observed in astrophysics 1986-04
_[3] 논문 Detection of an Optical/UV Jet/Counterjet and Multiple Spectral Components in M84 2018-06
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_[5] 논문 Internal structure and polarization of the optical jet of the quasar 3C273 1993
_[6] 논문 Superluminal expansion of quasar 3C273 1981
_[7] 논문 Large-scale superluminal motion in the quasar 3C273 1991
_[8] 논문 Formation of the radio jet in M87 at 100 Schwarzschild radii from the central black hole 1999
_[9] 논문 Detection of Proper Motions in the M87 Jet 1995
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_[11] 논문 Formation of the radio jet in M87 at 100 Schwarzschild radii from the central black hole 1999
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_[17] 문서 Index of citations to Kapteyn's paper http://adsabs.harvar[...]
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_[21] 논문 Quasars Revisited: Rapid Time Variations Observed Via Very-Long-Baseline Interferometry 1971
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_[24] 논문 A superluminal source in the Galaxy 1994
_[25] 문서 See http://www.mhhe.com/physsci/astronomy/fix/student/chapter24/24f10.html for a graph of angle versus apparent speeds for two given actual relativistic speeds.
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_[36] 논문 Variations of Small Quasar Components at 2,300 MHz 1969
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_[43] 논문 Superluminal motions: Astronomers still puzzled 1983-01-01
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_[45] 논문 Hubble Space TelescopeObservations of Superluminal Motion in the M87 Jet 1999-01-01
_[46] 논문 Detection of Proper Motions in the M87 Jet 1995-01-01
_[47] 논문 Hubble Space TelescopeObservations of Superluminal Motion in the M87 Jet 1999-01-01
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