黑洞吸积理论及其天体物理学应用的近期发展(Ⅰ)

黑洞吸积理论是天体物理学的一个基础理论,是认识许多高能天体系统,如活动星系核、黑洞X射线双星、伽马射线暴等的重要物理基础。该文评述了近年来黑洞吸积理论,尤其是径移主导吸积流(advection-dominated accretion flow,ADAF)模型及其变种的主要发展,并介绍该理论在银河系中心、低光度活动星系核、黑洞X射线双星等方面的应用。全文分为两篇,该文是第一篇,内容是关于黑洞的热吸积流理论及其在银河系中心的应用。     

黑洞的搜寻和证认（Ⅰ）：现状

简要介绍有关黑洞的理论及其一肺形式,详细综述在星系中心及Ｘ射线双星中搜寻和证认黑洞的原理、方法及现状。在星系层次,除活动星系核中心可能存在的黑洞外,在邻近星系中已找到至少１１个黑洞候选者,但观测所主的最小尺度仍比黑洞视界高几个量级。     

黑洞的搜寻和证认(I):现状

简要介绍有关黑洞的理论及其表现形式,详细综述在星系中心及X射线双星中搜寻和证认黑洞的原理、方法及现状．在星系层次,除活动星系核中心可能存在的黑洞外,在邻近星系中已找到至少11个黑洞候选者,但观测所及的最小尺度仍比黑洞视界高几个量级。在恒星层次,利用动力学判据,人们己在大质量X射线双星和软X射线暂现源中找到至少10个强候选者,并利用辐射判据找到更多的候选者,但目前仍然没有找到黑洞双星区别于中子星双星的决定性判据．所有这些说明,迄今尚未找到充足的证据证明黑洞的存在。     

黑洞吸积理论的新进展（Ⅱ）：含激波的吸积理论

着重评述了含激波吸积理论的发展历史和研究现状,介绍了在伪牛顿势以及严格广义和相论框架下,对等温和绝热两种不贩流体模型中可能发生的Ｒ－Ｈ激波,等温激波等各种不同激波的解析和数值模拟研究,包括激波发生的参数空间,不同流体参数下激波发生的位置,强度以和的能量。     

黑洞证认的新进展

黑洞是广义相对论的一个重要理论问题，它的存在与否一直是物理学家和天文学家关心的焦点。特别是由于近几年大量先进的观测设备投入使用和观测方法的改进，使得黑洞证认工作有了巨大的进展，成为当今天文学的一个热点。重点综述了恒星级黑洞和星系核的超大质量黑洞的各种天文观测证据，并介绍了与黑洞相关的天体物理学的一些重要前沿。讨论了正在开展的国际重大项目和探索原初黑洞的初步结果，并且展望了未来寻找黑洞天文观测证据的前景和对观测研究的建议。     

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。     

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－贮导致冷的作用的重新认识而建立的,称为ＡＤＡＦ理论。在吸盘积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     

水脉泽寄主活动星系核的吸积率(英文)

水超脉泽辐射( 各向同性光度超过 10 个太阳光度) 通常在星系中心最内部的核区( 小于几个秒差距) 被发现,因而活动星系核被认为是其唯一的能量源。同其它没有检测到水脉泽辐射的活动星系核相比,水脉泽寄主活动星系核可能隐含着某种或某些特殊性质。基于此我们调研了已经公开发表的所有水脉泽源的 X 射线观测情况,得到了一个有 X 射线观测研究结果的子样本( 39 个源) 。由它们的 X 射线光度以及估算的黑洞质量,导出了它们的无量纲吸积率( logL2-10keV /LEdd,其中 L2-10keV和 LEdd分别是 2 - 10keV 的固有光度和爱丁顿光度) ; 与距离范围相当的、没有检测到水脉泽的活动星系核样本相比,发现脉泽寄主活动星系核有较高的吸积率。进一步分析比较这两个活动星系核样本的质量吸积率,也发现类似的趋势。此外,为了探索吸积率和水脉泽辐射间可能的内在联系,我们对它们的脉泽光度和吸积率进行了统计分析,然而结果显示二者之间没有明显的相关性。     

黑洞吸积理论的新进展(II):含激波的吸积理论

着重评述了含激波吸积理论的发展历史和研究现状, 介绍了在伪牛顿势以及严格广义相对论框架下, 对等温和绝热两种不同的流体模型中可能发生的Ｒ－ Ｈ 激波、等温激波等各种不同激波的解析和数值模拟研究, 包括激波发生的参数空间、不同流体参数（ 比能量和比角动量） 下激波发生的位置、强度以及耗散的能量。这些研究结果表明, 在理想流体近似下, 黑洞吸积流中必定会产生激波。此外, 还介绍了含激波吸积理论在活动星系核方面的应用。对黑洞吸积理论简单讨论, 评述了含激波吸积理论与ＡＤＡＦ 吸积理论的关系, 着重评述了目前对于ＡＤＡＦ 中是否会发生激波这一存在很大争议的问题。     

黑洞天体活动的基本面研究

活动星系核(中心黑洞质量MBH^10^6-10^10M⊙)和黑洞X射线双星(MBH^10M⊙)普遍被认为具有相似的中心引擎:黑洞、吸积盘和喷流.类似的中心引擎、质量相却差如此之大(6{9个数量级)的两类黑洞系统是否具有相似的物理仍不清楚.本文围绕不同尺度黑洞天体的物理性质和观测特性展开,主要研究了不同尺度黑洞天体活动的基本面关系以及黑洞X射线双星的能谱演化.     

径移主导吸积盘的含时数值模拟

黑洞吸积被认为是活动星系核的能量来源,而研究黑洞吸积最主要的难题是要解释吸积气体的角动量是如何转移出去的.黑洞吸积盘理论提出通过粘滞力矩转移角动量.径移主导吸积盘模型(advection-dominated accretion flow,简称ADAF)是几何厚、光学薄的低吸积率吸积盘模型,它在解释低光度活动星系核的一些观测现象时获得了很大的成功.近年来,随着计算机技术的迅猛发展,数值模拟在天体物理研究中获得了广泛的应用,也取得了突破性的进展.主要工作是用数值模拟方法研究ADAF整体解作为初始条件模拟黑洞的吸积过程.     

粘滞对黑洞吸积盘的截断的影响

采用吸积盘-冕模型研究了粘滞对黑洞X射线双星和低光度活动星系核(LLAGN)中吸积盘的截断以及黑洞X射线双星中高低态转变的影响.以前的分析表明,冕的结构对粘滞的大小非常敏感.因此详细计算了一系列粘滞系数情况下冕的结构.为了便于与观测比较,将数值计算结果进行解析拟合得到最大蒸发率和粘滞系数a的关系,M/MEDD≈1.08a3.35;截断半径和粘滞系数的关系,R/Rs≈36.11a-1.94.这些结果可以用来解释光谱态的高低态的转换和截断半径的变化.并将这些结果应用到几个黑洞X射线双星XTE J118 480,GX 339-4,以及活动星系核NGC 4636中.     

窄线赛弗特Ⅰ型星系中可能具有吸积盘热辐射起源的软X射线超

理论上,低质量高吸积率活动星系核的标准吸积盘黑体热辐射有可能形成软X射线波段的超出。然而,活动星系核的软X射线超温度为0.1 keV左右,显著高于标准吸积盘理论预言的最高有效温度。只有Yuan等人在2010年报道的RX J1633+4718是一个例外,其软超温度为32.5_-6.0^+8.0 eV,显著小于0.1 keV,并与吸积盘理论预言的温度相符;此外,其光度也符合吸积盘的理论预期。因此该软X射线超很可能起源于吸积盘的热辐射。这一类源对于吸积盘理论和软X射线超的研究都有重要意义。文中使用ROSATPSPC数据,在所有已知的窄线赛弗特Ⅰ型星系（Narrow Line SeyfertⅠgalaxies,NLSIs）中寻找类似于RX J1633+4718的源,即软X射线超可能起源于吸积盘热辐射的源。分析了150个源的245条光谱,其中58个源的90条光谱具有显著的软X射线超。样本中软X射线超温度分布的平均值T_soft为0.10keV,标准偏差为0.03 keV。除了RX J1633+4718外,只有3个源的软X射线超温度小于60 eV,而且温度接近吸积盘最高温度。这个结果表明,类似于RX J1633+4718的具有低温软X射线超的源很稀少。最后,在具有黑洞质量估计的26个源中,软超温度与黑洞质量M_BH、爱丁顿比L/LEdd及预期吸积盘最高温度T_max都没有明显的关联性,与前人的结果一致。     

SgrA的结构和变化：银河中心的超大质量黑洞

银河中心为我们提供了一个唯一的天体物理实验室来用以研究各式各样的天体物理过程。在文中，我们总结和归纳了关于Sgr A^*观测的最新结果，主要涉及源的结构和在流量密度方面的变化。Sgr A^*现象代表着在低光度活动星系核中围绕一个超大质量黑洞的低辐射率的吸积盘外流的典型例子。从Sgr A^*观测得到的许多天体物理中悬而未决的问题对现存的天体物理理论是一个挑战。对Sgr A^*的最新理论模型也作了综述。     

吸积双星系统发射的511keV正负电子湮灭线

正负电子湮灭形成的511keV线谱是高能天体物理学光子能谱中的重要成分.本文通过Monte Carlo计算,研究了吸积双星系统(典型的如 CygX-3)中的正负电子湮灭过程.结果表明,一定物理环境下吸积双星系统可以发射较窄的正负电子湮灭线,它的流强和宽度依赖于双星系统发射的高能γ光子的强度大小,X射线晕的状态、尺度和温度分布以及吸积盘中电子的密度大小和分布.本文也讨论了现代的实验(如GRO卫星上的OSSE探测器)观测它的可能性.     

黑洞双星的B型QPO频率与幂律通量的相关性的解释

观测表明, 黑洞双星的B型准周期振荡(Quasi-Periodic Oscillation, QPO)频率与幂律通量之间存在正相关性. 试图基于阿尔文波振荡模型定量解释该相关性. 标准薄吸积盘辐射通量极大值处的阿尔文波振荡产生QPO. 标准薄盘上的软光子与冕或喷流基部的热电子介质发生逆康普顿散射产生幂律通量. 通过吸积率的连续变化, 得到QPO频率与幂律通量关系的分析解和数值解. 模拟得到的相关性在合理的参数范围内与观测值相吻合. QPO频率与幂律通量的正相关性可以理解为, 较强的磁场导致较高的阿尔文波频率和较高的电子温度从而得到较高的幂律通量. 结果表明B型QPO可能与吸积盘或喷流中的环向磁场的活动有关.     

Sgr A*的结构和变化:银河中心的超大质量黑洞

银河中心为我们提供了一个唯一的天体物理实验室来用以研究各式各样的天体物理过程。在文中 ,我们总结和归纳了关于SgrA 观测的最新结果 ,主要涉及源的结构和在流量密度方面的变化。SgrA 现象代表着在低光度活动星系核中围绕一个超大质量黑洞的低辐射率的吸积盘外流的典型例子。从SgrA 观测得到的许多天体物理中悬而未决的问题对现存的天体物理理论是一个挑战。对SgrA 的最新理论模型也作了综述。     

黑洞X射线双星的类氢类氦铁Kα发射线

用径移主导吸积流模型（ADAF）不仅可以成功解释很多低吸积率天体的连续谱辐射，也可以说明X射线波段的谱线发射，而后者目前尚少有讨论。以黑洞X射线双星GX339－4处在低吸积率的宁静态情况为例，计算了它的铁线发射，表明在ADAF情况下的确可以产生足够强的可以在观测上检测的类氢和类氦铁Kα线。