黑洞吸积盘的演化及温度分布的热不稳定性

本文在Ｔｈｏｒｎｅ工作的基础上讨论了吸积盘中黑洞的有关参量的演化，以及由Ｓｃｈｗａｒｚｓｃｈｉｌｄ黑洞吸积盘向Ｋｅｒｒ黑洞吸积盘演化过程中对吸积盘辐射通量的影响，最后针对几个典型的辐射过程，分别讨论了黑洞吸积盘在牛顿框架中的温度分布方程与广义相对论的温度分布方程的热不稳定性，并给出此类问题的热不稳定性的判据。     

Kerr度规下黑洞吸积盘的温度分布

本文采用较严格的广义相对论粘滞流体动力学方程,讨论并计算了在Kerr度规下黑洞吸积盘的温度分布问题.结果表明,对于绕Kerr黑洞的吸积盘,温度确有极大值的分布轮廓.而且,当盘内物质的辐射机制是黑体辐射时,不论粘滞机制属于何种类型,结果都一样;对于自由—自由辐射,采用a粘滞律模型,与我们在文[1]中所得的结果十分类似.这表明文[1]中所取的近似足合适的.计算还表明,在温度极大值所处半径的内面,有一迅速冷却的环状区域存在.在这一环状区域内,有可能具有某些在通常温度分布时所没有的特性.     

黑洞吸积盘的温度分布

本文以声速点的物理量作为边界条件,积分流体力学方程组,给出了几何薄光学厚的黑洞吸积盘的温度分布.结果表明在这种吸积盘的内缘温度将急剧下降.另外,我们发现几何薄光学薄气体压为主的α-律吸积盘是热不稳定的.     

黑洞在顺行吸积和逆行吸积中的演化特征

分别在薄盘和厚盘两种情况下,讨论吸积盘的中心黑洞在顺行积和逆行吸积中的演化特征,结果表明,黑洞的温度和熵在逆行吸积与顺行吸积中的演化特征很不相同;在顺行吸积中黑洞的温度单调减小,而在逆行吸积中黑洞的温度存在一个极大值;在吸积的全过程中,黑洞的熵始终是增加的,而且逆行吸积中黑洞熵的变化率要比顺行吸积中的黑洞熵的变化率大得多,此外还讨论了在吸积过程中,黑洞质量的相对变化与黑洞自转的相关性。     

吸积盘和冕的研究与应用

本文主要研究有热冕存在的吸积盘的特征。首先，我们采用最新的不透明度表和态方程表对经典薄盘的结构进行了探讨。然后考虑吸积盘上下方存在的热冕，分析了冕中的物理过程并研究了冕的结构。在此基础上，我们计算了有冕盘的结构并与无冕盘比较，讨论了盘冕共存系统中物质的蒸发。采用内区径流（亦译为平流）ADAF主导吸积与外区有冕盘吸积方案，研究了黑洞双星系统中光谱态之间转换的作用，提出了黑洞双星系统中光谱态转换的新机制，主要研究成果如下：1、不透明度是吸积盘不稳定性的重要因素。不透明度表和相应的态方程表的改进对吸积盘结构的影响不大，相对于粘滞系数和混合程的不确定性而言是可以忽略的。2、系统的冕结构研究表明，冕的存在对盘的结构有重要影响。吸积物质从冷盘蒸发到热冕中会使内盘物质耗空，在内区只有冕存在。这样的结构将对吸积盘的辐射产生重要作用。3、数值计算了冕的演化，发现物质蒸发使吸积盘理论能自然地诠释如下观测特征：矮新星爆发中出现的紫外边延滞、X－射线后爆发，以及爆发温度。然后，我们提出了新的关于WZ Sge型矮新星和X－射线新星在沉寂阶段的演化模型。在此基础上，我们数值模拟了WZ Sge的长周期演化。4、提出了冕盘的蒸发是吸积从外区薄盘向内区ADAF转化的原因。利用蒸发模型计算了X－射线瞬变源的转换半径，发现理论值与观测值基本一致。5、用有冕盘蒸发模型探讨了X－射线双星中（如Cyg X-1,LMC X-1,LMC X-3)光谱态、从硬到软的变化，发现吸积率的变化导致了ADAF和薄盘之间转换半径的变化，从而使光谱态发生了变化。     

黑洞吸积盘内边缘半径的演化

本文用广义相对论讨论了黑洞吸积盘内边缘半径ｒ（ｍｓ）的演化规律。结果表明，吸积盘的中心黑洞在由Ｓｃｈｗａｒｚｓｃｈｉｌｄ型向极端Ｋｅｒｒ型演化的过程中，黑洞的角动量变化对ｒ（ｍｓ）的影响始终比黑洞的质量变化对ｒ（ｍｓ）的影响大。在此过程中ｒ（ｍｓ）始终是连续、单调减小的。本文得出ｒ（ｍｓ）对时间变化率的取值范围，并对其物理意义作了讨论。     

Blandford-Znajek过程对黑洞吸积盘演化的影响

本文详细讨论了在Blandford－Znajek过程中吸积盘中心黑洞的角动量和质量的总变化率与质量吸积率和能量提取率之比的关系，在此基础上讨论了BlandfordZnajek过程对黑洞吸积盘内边缘半径r_(ms)演化的影响，并证明在此过程中中心黑洞的熵总是增大的。     

黑洞吸积盘内区温度的分布特征和演化特征

对黑洞吸积盘内区温度的径向分布特征和演化特征作了详细的讨论。结果表明：（１）盘内区的温度并非随径向坐标ｒ单调减少,在接近盘的内边缘处有一个盘温的峰值环。在盘温的峰值环和盘的内边缘之间形成一个温度梯度很大的冷却区;（２）在盘吸积的过程中,盘内区温度峰值和冷却区的平均温度梯度均随中心黑洞的无量纲角动量α＊的增加而单调增加,而盘峰值环半径和冷却区的径向宽度均随α＊的增加而单调减小;（３）盘的热辐射光度随     

黑洞附近吸积流的稳定性研究

本文采用了多方物态方程ｐ＝ｋρ＾（１＋１／ｎ）研究了在黑洞附近跨声速α吸积盘的径向线性稳定性，在导出扰动色散关系时考虑了吸积流的径向运动速度，结果表明粘滞系数α存在一上限αｃ，当α＞αｃ时，吸积流是不稳定的，αｃ与多方指数ｎ及吸积流的径向速度ｖｒ有关。     

黑洞吸积理论的新进展(Ⅰ):ADAF吸积理论

黑洞的吸积是天体物理学中最重要的基础理论之一。近年来该理论取得了引人瞩目的重大进展,具体表现在两个方面。其一是根据黑洞吸积必定跨声速这一特性,提出在一定条件下吸积流中会出现激波,这可称为含激波的吸积理论;其二是基于对一种局域致冷机制-贮导（advection）致冷的作用的重新认识而建立的,称为ADAF理论。在吸积盘的光学厚度很小或很大两种情况下,粘滞产生的大部分热量没有像在标准薄盘模型中那样辐射出去,而是贮存在流体中随流体的径向运动进入黑洞。与标准薄盘模型相比,贮导吸积盘具有高得多的温度和大得多的径向速度,但角动量小于开普勒角动量,吸积致能的效率要低得多。     

星系中心超大质量黑洞的自转

自转作为描述黑洞天体物理性质的两个基本参数之一,其研究正方兴未艾.本文以星系中心超大质量黑洞(SMBH)的自转为研究主题,阐述自转的确定、宇宙学演化及其对黑洞吸积历史的限制.SMBH附近的加速机制使粒子产生甚高能量的辐射,对这些辐射的观测可以给出中心黑洞的信息.基于此,我们提出了利用TeV光变限制黑洞自转参数的方法.基本原理是:TeV光变给出了辐射区域最大尺度的限制,吸积盘辐射场通过对TeV光子的吸收光深给出了辐射区域最小尺度的限制.由于吸积盘辐射场与黑洞自转直接相关,从而结合TeV光变可以限制黑洞自转.对于给定的光度,快     

黑洞吸积盘内区温度的分布特征和演化特征

对黑洞吸积盘内区温度的径向分布特征和演化特征作了详细的讨论．结果表明：（１）盘内区的温度并非随径向坐标ｒ单调减少,在接近盘的内边缘处有一个盘温的峰值环．在盘温的峰值环和盘的内边缘之间形成一个温度梯度很大的冷却区;（２）在盘吸积的过程中,盘内区温度的峰值和冷却区的平均温度梯度均随中心黑洞的无量纲角动量ａ的增加而单调增加,而金温峰值环半径和冷却区的径向宽度均随ａ的增加而单调减小;（３）盘的热辐射光度随ａ的增加而单调增加．     

有吸积盘时径向运动云的谱线轮廓

在活动星系核的黑洞模型中,黑洞附近运动的电离云所发出的光线将要受到多普勒频移、引力红移和光线偏折等效应的影响,如果黑洞周围还有吸积盘存在,电离云的辐射还可能被吸积盘遮挡。本文全面地考虑了这些效应,利用光子输运方程方法,给出了在Schwarzchild度规中径向运动电离云发出的谱线轮廓的精确解,并发现在某些情况下将出现不对称的双峰结构。     

大质量黑洞吸积盘的径向自引力

本文研究了大质量黑洞吸积盘的自引力,用薄盘位形上积分的方法计算了吸积盘自引力的径向与垂向分量,着重讨论了径向自引力。主要结果为:对于大质量黑洞(M～10~8—10~(10)M_⊙)吸积盘,在(R/R_g)～10~5—10~4的距离上,径向自引力会超过中心天体引力。在这个距离上,吸积盘的动力学结构完全不同于开普勒盘。提出了径向自引力不稳定扰动作为一种能源机制。本文还得到吸积盘自引力与中心天体引力量级比较的两个判据,并由此得到大质量黑洞吸积盘外半径的近似解析估计。本文结果可用于类星体和星系核吸积盘。     

双黑洞并合与黑洞逆向吸积

黑洞是广义相对论理论预言的天体,也是很多天文现象,如类星体、活动星系核、喷流、吸积盘的中心引擎。根据广义相对论,宇宙中的黑洞可以由质量和自旋两个参数来描述。对比黑洞质量的测定,自旋的测量较为困难。但自旋的方向与很多天文现象密切相关。如果黑洞自旋方向与吸积盘的转动方向一致,将形成正向吸积的天文现象;反之,如果黑洞自旋的与吸积盘的转动方向相反,将形成逆向吸积的天文现象。利用宽线区尺度与光学光度之间的关系,最近的研究发现了逆向吸积盘的可能候选体。利用双黑洞并合的物理图像提出了一种逆向吸积盘的物理形成机制,并定量计算了相关的逆向吸积盘形成率。发现了超大质量双黑洞系统的质量比分布与类星体逆向吸积盘的形成率之间存在定量关系,该定量关系可以通过未来的空间引力波探测以及逆向吸积盘的探测进行检验。     

Blandford—Znajek过程对黑洞吸积盘演化的影响

本详细讨论了在Ｂｌａｎｄｆｏｒｄ－Ｚｎａｊｅｋ过程中吸积盘中心黑洞的角动量和质量的总变化率与质量吸积率和能量提到率之比β＝Ｍ＋／Ｍ－关系，在此基础上讨论了ＢｌａｎｄｆｏｒｄＺｎａｊｅｋ过程对黑洞吸积盘内边缘半径ｒｍｓ演化的影响，并在此过程中中心黑的熵总是增大的。     

磁化黑洞吸积盘的演化及放能效率

采用等效电路模型讨论了两种不同类型的磁场对黑洞的旋转能量和角动量的提取机制；Blandford-Znajek(BZ)过程和磁耦合过程，在研究磁化吸积盘中心黑洞自转参量演化特征的基础上，详细比较了纯吸积过程，BZ过程和磁耦合过程对黑洞吸积盘放能效率的贡献，结果表明，磁耦合过程是提取黑洞旋转能量重要的新机制，其放能效率与BZ过程几乎相等，在黑洞自转不是特别大的情况，纯吸积过程的放能效率高于BZ过程和磁耦合过程的放能效率，但是当黑洞自转接近极端Kerr黑洞的自转状态时，放能效率主要由BZ过程和磁耦合过程贡献。     

黑洞热吸积流的理论研究

<正>活动星系核(AGN)、低光度活动星系核(LLAGN)以及X射线双星(XRB)系统中都存在黑洞吸积过程.黑洞吸积是人们理解相关天体的辐射、光变等现象的关键.本学位论文主要侧重于对目前非常流行的热吸积流(径移主导吸积流ADAF以及明亮热吸积流LHAF)的研究.该类吸积流是理解LLAGN以及处于硬态的XRB的基本理论模型.论文第1章详细介绍了相关的背景.首先讨论了天体环境中的黑洞及其所处的系统—AGN、     

AGN吸积盘辐射区半径的多方法研究

通过收集数据,用标准α盘模型法、短时标光变法、连续波混响滞后法、微引力透镜法分析了活动星系核吸积盘辐射区半径,并对4种方法进行分析讨论。结果表明:(1)将耀变体和类星体参数比较,发现两个子类的中心黑洞质量、光度和吸积盘辐射区半径都没有明显差别。选择高光度源进行研究,出现了两个子类以上参数无明显区别的情况;(2)短时标光变法得到的吸积盘辐射区半径比和黑洞质量没有明显的相关性;(3)连续波混响滞后法得到的吸积盘辐射区半径比对黑洞质量的依赖性高于标准α盘模型法,对于无法确定中心黑洞质量的源,可以利用连续波混响滞后法得到吸积盘辐射区半径;(4)微引力透镜法得到的吸积盘辐射区半径比和黑洞质量没有明显的相关性,且该方法只适用于存在微引力透镜效应的类星体;(5)这些方法从观测上证明了吸积盘辐射区半径与黑洞质量存在相关性,验证了标准模型成立。为进一步在观测上寻找这4种方法所需要的源提供了理论指导,对活动星系核的吸积盘辐射区半径研究有重要意义。     

黑洞吸积盘的演化与黑洞自转：Ⅰ.薄盘的演化

在同时考虑薄盘吸积与ＢｌａｎｄｆｏｒｄＺｎａｊｅｋ过程的条件下讨论了黑洞吸积盘的的演化,并指出黑洞的无量纲角动量ａ是标志黑洞吸积盘演化特征的重要参量．得到描述黑洞自转的３个特征值：（１）ａＩ≈０．９８３标志在薄盘吸积与ＢｌａｎｄｆｏｒｄＺｎａｊｅｋ能量提取机制的作用下,中心黑洞的无量纲角动量ａ演化的上限;（２）ａＩＩ≈０．９４０对应于黑洞薄盘内边缘半径ｒｍｓ演化的极小值;（３）ａＩＩＩ≈０．８２４对应于活动星系核射电噪度（ｒａｄｉｏｌｏｕｄｎｅｓ）的极大值