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细盘与细盘/双温冕的结构和出射谱研究

陈林红  
【摘要】:黑洞吸积对于理解宇宙中包括恒星质量黑洞候选体和活动星系核等各类天 体的活动现象具有重要的意义。随着天文观测的巨大进步,吸积盘理论发展到 了当代径移主导吸积范畴。通过对吸积盘的结构和出射谱研究,结合各种观测 数据,能够揭示吸积过程蕴涵的物理本质,包括吸积流体和中心天体的基本性 质,理解和掌握黑洞、星系甚至宇宙的形成与演化规律。本论文详细回顾了吸 积尤其是黑洞吸积盘理论的发展历史,叙述了吸积中的粘滞转移角动量和能 量、引力能耗散的过程以及吸积盘的形成,概述了各类天体中吸积盘的基本性 质,介绍了标准吸积盘模型和高吸积率天体存在的部分证据,着重研究了细 盘、尤其是含过渡区的细盘和细盘/双温冕模型的盘结构和出射谱特征,改进了 经典细盘对偏离黑体形式辐射的处理,建立了可适用于任意光深、统一描述的 吸积盘模型,初步发展了吸积盘/冕模型在高吸积率下的理论。主要成果为: 1. 采用辐射桥梁链接公式建立了适用于任意光深的细盘模型,较准确 地处理了电子散射效应主导、尤其是α 0.01和1 m ≤ 50存在的τe? ˙ 1过渡区偏离黑体的辐射,扩展了细盘适用的(α, m, m)参数空间。对含过渡 ˙ 区细盘整体结构的研究包括:(1) 过渡区辐射的处理对吸积盘解和特征S型 曲线的影响;(2) 过渡区半径与吸积率和粘滞参数的关系,可近似用Rtr = c1αpαmp1 exp(?c2mp2)(当α 0.01有pα ~ 1)表示;(3) 恒星质量黑洞吸积盘过渡 ˙ ˙ 区半径要大于星系核吸积盘中的值,但均不能忽略由电子散射效应导致的偏离 黑体辐射。考虑电子汤姆逊散射和康普顿散射效应,基于含过渡区细盘整体结 构计算出来的出射能谱,克服了经典细盘中高频端谱流量被高估的问题。细盘 出射谱在低吸积率下,可近似为标准盘对应的p = 0.75多色黑体谱(MCD);超 临界吸积率下能谱变宽、变平,高频端谱随吸积率增加而饱和。用MCD拟合细 盘0.1-10 keV的X射线谱发现,0.5 ≤ p ≤ 0.6、Tin 1 keV(m = 10且m 1),自 ˙ 然地解释了亮的黑洞候选体、超亮X射线源中存在的“高温问题”。 2. 以细盘代替标准盘、用双温ADAF描述冕,建立了细盘/双温冕模型。类 似于其能谱计算,细盘与冕能量耦合方程中也引入了逆康普顿散射几率,使结 构与谱的计算更自洽。得到的冕结构不依赖于中心天体质量,电子散射光深和 平均温度随冕吸积率fm增加而升高,质子温度远高于电子温度。出射谱低能部 ˙ 分为细盘从光学到紫外、甚至软X超的热辐射,高能部分为康普顿辐射硬X幂律 – I – WP=5 摘 要 谱,谱指数随吸积率m和粘滞参数α增加或冕成份因子f减小而变大,幂律谱变 ˙ 得更陡更软,能解释通常高吸积率天体具有弱冕的观测事实。 3. 将细盘模型应用到52个窄线赛弗特1星系(NLS1)组成的样本中,发现大 部分源是超临界吸积,一半左右的源具有超爱丁顿热辐射,支持了NLS1源可 能对应高吸积率、较低质量星系黑洞。用细盘出射谱拟合了LMC X-1、GRO J1655-40、PG 1448+273和PKS 0558-504热辐射成份,细盘/双温冕出射谱拟合 了GRS 1915+105、RE J1034+396和Akn 564多波段高分辨率观测数据,给出了这 些源吸积率、粘滞、冕成份等物理参数。 4. 在XSPEC中实现了含过渡区的细盘能谱模型。与MCD、光深和温度单一 的康普顿辐射谱(Compbb、CompST等)以及相对论标准盘的MCD相比,我们的 细盘、细盘/双温冕能谱模型是基于吸积盘和吸积冕整体结构自洽计算出来的, 具有更多的物理意义,而且可应用于宽吸积率范围的各类源,包括微类星体、 超亮X射线源、窄线赛弗特1星系、类星体等亮源和各谱态时期的黑洞暂现源。


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