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黑洞系统中喷流和吸积的耦合

李洋  
【摘要】: 观测发现许多吸积天体系统都有喷流现象。普遍认为喷流与黑洞吸积成协,X射线双星和活动星系核各波段的观测数据、光变分析、理论模型及数值模拟均表明了喷流与吸积具有耦合关系。 吸积过程被公认为高能天体系统的主要能源机制,迄今为止曾涌现出了诸多不同的黑洞吸积盘模型。基于辐射效率可以将吸积流划分成两大类:薄盘和厚盘(如径移主导的吸积流,简称ADAF)。薄盘吸积具有最高的释能效率,可以用来解释高光度的X射线双星和活动星系核。ADAF无法有效地辐射粘滞产热,其光度很低,而盘温很高,可以解释低光度的X射线双星和活动星系核的低光度和非热谱。本文主要对广义相对论下的标准薄盘和ADAF盘进行了详细介绍。 接着,本文详细介绍了大尺度磁场驱动喷流的BP机制,重点讨论了喷流发射过程和磁离心加速过程,根据物质外流的磁流体动力学方程组推导出了外流的角动量守恒和能量守恒方程。其中BP过程驱动的喷流是磁流体动力学(MHD)模式,提取的能量既包含电磁能,也包含着一部分的物质能量。磁场提取的能量以外流为载体,在吸积盘和Alfven面之间的区域不断加速,携带的电磁能逐渐转化为物质流的动能。随后,本文简单介绍了其他几种大尺度磁场的提能机制,包括BZ机制、DL机制和MC机制。 在第三章,我们提出了一种标准薄盘与BZ、BP过程结合的简单模型,考虑到BP过程导致的物质喷流和盘吸积之间的相互作用,通过解薄盘的质量、角动量和能量守恒方程,得到盘光度和喷流功率表达式。发现由于BP过程的存在,盘辐射通量和盘光度会相应降低;受到盘稳定性的限制,在大多数情况下,BP功率不会比BZ功率小很多,喷流总功率与盘光度处于同一量级,这与Blazars天体的喷流功率和吸积(热)光度相关性一致,文中拟合了11个平谱射电源(简称FSRQs)和17个陡谱射电源(简称SSRQs)的宽发射线光度和喷流功率。 本文的第四章讨论ADAF与BP过程结合的简单模型,通过求解其动力学方程,得到盘光度和喷流功率表达式,发现由于BP过程和径移的作用,盘光度变得非常低,会出现喷流主导态。还发现以爱丁顿吸积率为单位的吸积率和径移参数之间存在反相关,这可以用来解释15个亚光度活动星系核的喷流动能功率与热光度之间的正相关性,并对其2-10keV的X-ray光度和喷流功率进行了拟合。而且,在吸积率-黑洞质量对数平面上重新给出了射电星系FRⅠ/Ⅱ二分的Ledlow-Owen关系,认为FRⅠ/Ⅱ二分主要依赖于吸积率,与黑洞质量几乎无关,而且分界吸积率低于ADAF的临界吸积率,表明FRⅠ处于ADAF吸积模式。 第五章对黑洞系统中大尺度磁场的起源问题进行了简单讨论。位于黑洞赤道面最内稳定轨道处的单电流环将产生连接黑洞和吸积盘(简称MCHD)、吸入区和吸积盘(简称MCPD)的两种闭合磁场位形。由于MCPD的存在,能量和角动量的转移问题变得更加复杂,相应的吸积盘也有了更细致的分区。另外,计算了两种磁联系对吸积盘内区的辐射通量的影响,表明吸入区与吸积盘的磁联系非常重要,尤其是在黑洞自转比较小的情况不容忽略。 本文最后简短地介绍了对今后工作的思考和展望。


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