黑洞吸积盘结构和辐射的理论研究

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吸积盘是人们对引力能认识不断深入的产物。对黑洞吸积盘的研究使人们获得了很多对于天体物理中的流体力学以及对于黑洞这种特殊天体的认识。研究黑洞吸积盘已经成为研究黑洞性质的一个途径。而黑洞吸积盘本身也给人们提出了很多值得思考的问题。   本文在前人对吸积理论研究的基础上主要关注黑洞吸积盘结构与辐射方面的四个问题:一个是考虑磁场的盘冕模型及其在天体物理黑洞系统观测中的应用;一个是考虑湍动加热电子的磁化吸积盘模型及其在银河系中心的应用:一个是不同角动量分布对黑洞吸积盘平衡结构的影响;另外一个是流体压强对最内稳定圆轨道半径的影响。   盘冕模型是解释黑洞周围吸积盘的两个成分一外区的标准薄盘和内区的光学薄径移主导吸积流(ADAF)之间转换的若干模型中的一种。盘冕模型推断了转换半径与蒸发率的关系,这同时也是外区薄盘的吸积率与其截止半径的关系。模型推断的两种吸积盘的最小转换半径(薄盘的最小内截止半径)在300倍史瓦西半径左右。而对X射线双星硬态的光谱的研究表明薄盘的内截止半径可以小至数十个史瓦西半径,这是盘冕模型不能解释的一个观测现象。本文在已有模型基础上考虑了磁场对盘冕模型的影响。磁场在这个模型中起到两个作用,首先磁场影响了能量平衡,其次它影响了电子热传导。对考虑磁场后的盘冕模型进行计算的结果表明,磁场的存在可以使同样半径处的蒸发率变小,同样吸积率的外区薄盘的内截止半径也将变小,这有助于缓解理论和观测的矛盾。   银河系中心黑洞的吸积导致其在毫米和亚毫米波段有较强的辐射,且有很强的偏振。考虑黑洞附近十个史瓦西半径以内有均匀的横向磁化的等离子体,那么热电子的同步辐射可以很好地解释银心的毫米和亚毫米波段的辐射和偏振。但是观测表明银心黑洞是有物质吸积的,因此在其周围应该形成一个吸积盘,而不是均匀等离子体。本文考虑了一个伪牛顿势下开普勒转动的横向磁化的吸积盘,并假定电子是被湍动加热的。本文计算了此吸积盘的结构以及辐射,结果表明模型可以很好地解释银心毫米和亚毫米波段的辐射及其偏振。   了解吸积盘的平衡结构对于吸积盘理论有着根本的重要性,它可以帮助人们理解吸积盘的内边界附近流体的物理状态,也能帮助人们理解数值模拟中的一些结果。前人研究过各种角动量分布下的黑洞吸积盘平衡结构,本文在此基础上系统研究了克尔时空中不同角动量分布下纯转动吸积盘的平衡结构的解析模型。本文使用了一种能概括一些典型情况的参数化的角动量分布,发现在不同的角动量分布下,解析模型可以代表经典的“波兰面包圈”、薄盘、和低角动量包层包裹的薄盘。将得到的解析模型的等压强面和数值模拟给出的对时间和咖方向平均后的等压强面对比可以看到解析模型能拟合数值模拟的等压强面的形状。本文认为进一步研究不同角动量分布下的解析模型并构造更符合实际情况的吸积盘平衡结构对于理解数值模拟的结果是有帮助的。   最内稳定圆轨道通常被认为是黑洞吸积盘的内边界。而一般使用的最内稳定圆轨道都是基于对黑洞周围的试探粒子的圆轨道运动的分析。本文考虑了由理想流体构成的盘的最内稳定圆轨道问题。可以发现对于温度不高的情况,例如标准薄盘,压强的影响可以忽略,最内稳定圆轨道和试探粒子情形几乎一致。对于温度较高的情况,本文用小量展开的方法对压强造成的对最内稳定网轨道的修正进行了讨论,得到了修正后的最内稳定圆轨道在Schwarzschild和Kerr情况下的表达式。本文也对最内稳定圆轨道的修正的意义进行了讨论。   吸积盘和黑洞已经带给了人们很多激动人心的知识,但它们仍然是值得深入研究的。和所有的未知领域一样,它们还会带给人们更多的惊奇。
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