黑洞吸积-喷流耦合模型的理论应用

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吸积过程,宇宙中最有效的质能转换机制,一直是近年来高能天体物理领域极其热门的研究方向。在活动星系核(active galactic nuclei,AGN)、黑洞X射线双星(black hole X-ray binary,BHB)、伽马暴(Gamma-ray burst,GRB)、行星形成等研究领域,都极有可能广泛地存在吸积过程。研究吸积物理是人们理解相关天体的光变、辐射等现象的关键。本学位论文主要侧重于对黑洞吸积过程中的主流模型之一,吸积-喷流耦合模型,进行探讨并研究其在天体物理中的理论应用。目前,该模型在理解低光度活动星系核(LLAGN)以及处于硬态、宁静态的BHB物理过程上取得了很大的成功。  论文第一章主要介绍了黑洞吸积-喷流模型的理论框架。吸积、喷流等方面的讨论是本论文的物理基础。首先,我们简要介绍了黑洞及其所处的系统—AGN、LLAGN以及BHB。随后,对上述天体现象的基本物理图像:吸积过程,进行了基本概念的介绍,并着重讨论了两种主要的冷热吸积流模型,即标准薄盘(SSD)和热吸积流[径移主导吸积流(advection-dominated accretionflow,ADAF)以及明亮热吸积流(luminoushot accretion flow,LHAF)],包括它们的基本性质、能量方程、辐射过程等。此外,我们又简要介绍了喷流模型。最后,在引言中,我们介绍了本论文工作所采用的理论模型,即吸积-喷流耦合模型,并在后续的章节中重点阐述了它在解释观测现象中多个方面的理论应用。  论文第二章主要讨论了吸积-喷流耦合模型在天体物理中的理论应用之一:解释AGN以及BHB中X射线能谱的光子指数(Γ)与其辐射光度(lx三LX/LEdd)相关关系(简称F-L相关)。首先,我们搜集了大样本的观测数据,其中10-9≤lx≤10-1。通过对大样本数据的分析,我们发现,当lx≥~10-3时,F-L呈现正相关,然而,当10-6.5≤lx≤10-3时,F-L却呈现反相关关系;而当黑洞源的X射线辐射光度更低时(lx≤10-6.5),Γ不再随着光度发生变化,基本上呈现为一个常数值。然后,我们在理论上采用吸积-喷流耦合模型解释了上述的三段式F-L相关关系。值得注意的是,当lx高于(低于)10-6.5时,X射线的辐射主要来自于热吸积流(喷流)。此外,我们还发现随着吸积率的不断升高,热吸积流极有可能演化为含有冷团块存在甚至转变为盘冕结构的两相吸积流,而这种两相吸积流可以很好地解释F-L正相关关系。  论文第三章主要探讨了吸积-喷流耦合模型在解释BHB宁静态能谱分布(SED)上的理论应用。我们搜集了三个处于宁静态的黑洞X射线双星准同时性多波段的观测数据,这三个源是V404 Cyg、A0620-00以及XTE J1118+480。我们发现,处于宁静态BHB的辐射能谱分布能够通过吸积-喷流模型予以很好地解释。具体来说,宁静态BHB的射电-红外、X射线的辐射主要由相对论喷流主导,红外-光学波段的辐射主要来自于伴星的贡献,标准薄盘的辐射对SED的贡献仅显现在紫外波段,而热吸积流的贡献基本上可以忽略。简而言之,研究的结果证实了Yuan&Cui(2005)的预测,即宁静态BHB的辐射主要由喷流主导。  论文第四章主要探讨了吸积-喷流耦合模型在解释单个源,低光度活动星系核NGC7213,多个观测现象方面的理论应用。首先,我们介绍了NGC7213的一些观测信息和物理现象,通过对NGC7213的射电以及X射线大量的观测数据分析,发现相比于经典的AGN活动性“基本面”,它的射电/X射线相关关系非常平,而且此现象在其他几个LLAGNs以及BHBs中也存在类似的观测。我们认为NGC7213的黑洞吸积过程应该为明亮热吸积流,此类吸积流的辐射效率与吸积率存在很陡的正相关关系。另外,在如此低的X射线光度下,为了让其吸积模式进入到LHAF区域,就要求其粘滞参数α应当非常小,通过具体的计算,我们发现在NGC7213中,α(~)0.015。此外,关于NGC7213中的射电至硬X射线的多波段辐射谱、射电与X射线光变曲线中存在的时间延迟、射电辐射区域大小的限制以及喷流中整体的洛伦兹因子的数值等问题也在本章节的工作中进行了调研。在吸积-喷流的理论模型框架下,我们发现当NGC7213中2-10keV的X射线流量高于~2.4×10-11 erg s-1 cm-2时,它很有可能进入了一个新的吸积模式,即“两相吸积流”。此外,在相对较高光度下,还有其他两个结果等待未来拥有更好的数据时进行验证,它们是X射线波段存在的“变亮变软”行为以及射电/X射线相关关系变陡的行为。  论文的最后(第五章)为本论文的简单总结。
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