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黑洞双模式吸积盘的研究

黑洞双模式吸积盘的研究. 林一清 南京大学天文系 2005 年 1 月 5 日. 纲 要. 第一章：引言 第二章：黑洞双模式吸积盘的能量论证 第三章：单温情况的 SSD-ADAF 连接 第四章：双温情况的 SSD-ADAF 连接 第五章：结论. 第一章：引言. 1 、吸积 —— 高效的释能机制. 19 世纪的天体物理学家认为引力能是天体能量的唯一来源。 20 世纪 30 年代末，认为天体能量来自氢的热核反应。热核反应的释能效率是 0.007 。

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黑洞双模式吸积盘的研究

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Presentation Transcript

  1. 黑洞双模式吸积盘的研究 林一清 南京大学天文系 2005年1月5日

  2. 纲 要 • 第一章：引言 • 第二章：黑洞双模式吸积盘的能量论证 • 第三章：单温情况的SSD-ADAF连接 • 第四章：双温情况的SSD-ADAF连接 • 第五章：结论

  3. 第一章：引言

  4. 1、吸积——高效的释能机制 • 19世纪的天体物理学家认为引力能是天体能量的唯一来源。 • 20世纪30年代末，认为天体能量来自氢的热核反应。热核反应的释能效率是0.007。 • 20世纪60年代，类星体和X射线星发现对能源提出新的挑战。天体物理学家想起了使引力能以更高效率释放出来的机制——吸积。黑洞、中子星的释能效率是热核反应的10倍以上。

  5. 2、 吸积理论发展的历史和现状 吸积理论研究的真正展开始于20世纪60年代。这是由于来自两个方面的推动。 • 类星体和X射线的发现。 • 极端致密天体的存在被证实。

  6. 四种重要的吸积盘模型

  7. 3、SSD+ADAF模型 • SSD+ADAF模型的应用。 图1.3：XTE J1118+480的SSD+ADAF光谱模型，取自Esin et al. （2001）之Fig.1

  8. 问题：SSD-ADAF的转变机制是什么？ 有人认为ADAF无法平滑连到SSD，而只能连到SLE，但是仅限于小α或者无辐射的情况。有人认为它们的连接必须借助其他的机制。我们希望能够得到SSD-ADAF的平滑连接而不要借助于其他的机制。

  9. SSD-ADAF的转变机制 • 强ADAF选择原则 • 蒸发机制 • Honma机制 • SSD内区的热不稳定引发SSD-ADAF转变

  10. 图1.9：统一的 图，取自Gu &Lu (2000)之Fig.1

  11. 第二章黑洞双模式吸积盘的能量论证 1、 概述 Molteni et al. (2001) 从能量角度认为SSD-ADAF的连接是不可能的。他们认为如果有这样的转变，应该在很远的地方，但我们认为这个转变发生在SSD内区，转变位置离中心黑洞比较近，从能量的角度证明这个连接是可能的。

  12. ………………… ① ………………………………… ② …………… ③ ……………… ④ …………… ⑤ 2、 基本方程 描述吸积流的基本方程是质量守恒、垂向平衡、径向动量守恒、角动量守恒和能量守恒方程。

  13. 在SSD的情况下，这些方程被简化成一些代数方程：在SSD的情况下，这些方程被简化成一些代数方程：

  14. 3、理论分析 Molteni et al. (2001) 从吸积流的基本方程得到一个积分常数： 它的物理意义是：如果没有能量流失（比如辐射），那么即使有粘滞产热，总能量还是守恒的。

  15. 我们的做法： （1）、求解SSD方程，检查在什么半径处满足热不稳定条件，这个半径就是转变半径Rtr。 （2）求出这个转变半径处的能量守恒量。 （3）、根据K值得到ADAF声速点Rs。跨声速是ADAF的一个重要特征。

  16. 4、数值结果和理论 图2.1：吸积率从0.06（左端）到1（右端）时，声速点Rs和 转变半径Rtr的关系图

  17. 结论： 只要吸积率 不太小就可以得到SSD-ADAF的转变，也就是都有Rtr和Rs的解。并且对于任何可以实现SSD-ADAF转变的α和 ，Rs总是位于3Rg左右，而Rtr却在10Rg以上。

  18. 第三章 单温情况的SSD-ADAF连接

  19. 辐射冷却率用一个桥梁公式来计算，并且只考虑简单的韧致辐射的情况。辐射冷却率用一个桥梁公式来计算，并且只考虑简单的韧致辐射的情况。

  20. 图3.1：声速cs和速度V的径向变化，实线代表ADAF，虚线代表SSD。图3.1：声速cs和速度V的径向变化，实线代表ADAF，虚线代表SSD。

  21. 图3.2：开普勒角动量lK和角动量l 的径向变化。

  22. 图3.3：相对厚度H/R的变化

  23. 图3.4：光深τ的径向变化

  24. 图3.5：温度的径向变化

  25. 图3.6：径移冷却因子Qadv/Qvisc的径向变化

  26. 结论： 单温时ADAF与SSD的连接是可以实现的。

  27. 第四章 双温情况的SSD-ADAF连接 ADAF的物质密度很低，不能实现有效的辐射冷却，粘滞产生的热使物质温度升得很高。由于密度低，离子与电子之间的热耦合也就很弱，电子会由于各种辐射过程而降低温度，离子则保持极高温，形成双温状态。

  28. 对双温吸积流，能量方程和物态方程要比单温时复杂得多。对双温吸积流，能量方程和物态方程要比单温时复杂得多。 1、能量方程：

  29. 桥梁公式写成： 并且韧致辐射必须是电子与离子和电子与电子的韧致辐射冷却率之和。

  30. 2、物态方程变为:

  31. 图4.2：SSD-ADAF转变半径 和热不稳定半径 与吸积率 的关系图

  32. 结论： 黑洞吸积流可以实现SSD-ADAF的平滑连接。

  33. 第五章：结论

  34. 从能量方程出发。 • 考虑了辐射冷却机制，研究了只有韧致辐射冷却的单温等离子体的情形。 • 进一步研究双温等离子体的情形，考虑包含韧致辐射、同步辐射以及这两种辐射的康普顿化。

  35. 在强粘滞和非零辐射的情况下，SSD内区的热不稳定可以引发SSD-ADAF的转变，转变半径离中心黑洞的距离很近，大约10Rg。这样的机制是从吸积盘的基本理论出发，是比较容易理解的。在强粘滞和非零辐射的情况下，SSD内区的热不稳定可以引发SSD-ADAF的转变，转变半径离中心黑洞的距离很近，大约10Rg。这样的机制是从吸积盘的基本理论出发，是比较容易理解的。 但是我们的结果是定常态的，要严格地证明这种机制，还需求解吸积流的含时整体解。

  36. Thanks!

  37. 发表的文章 • Energetic Argument for Bimodal Black Hole Accretion Discs 中国物理快报,Vol.19,No.10(2002) 作者：LIN Yi-Qing，LU Ju-Fu，GU Wei-Min • Smooth Transition from Shakura-Sunyaev Disc to Advection-Dominated Accretion Flow 中国物理快报,Vol.20,No.7(2003) 作者：LIN Yi-Qing，LU Ju-Fu，GU Wei-Min • Shakura-Sunyaev Disk Can Smoothly Match Advection-Dominated Accretion Flow Astrophysical Journal Letters，604，L37-40,2004 作者：Ju-Fu Lu, Yi-Qing Lin, Wei-Min Gu • 标准薄盘与径移主导吸积流的平滑连接 天文学报, Vol.45,No.3(2004) 作者：林一清 卢炬甫 顾为民 • Mode Transitions of Black Hole Accretion Disks Proceedings of IAU Symp.214, in press 作者：Lu Ju-Fu, Gu Wei-Min, Lin Yi-Qing • SSD向ADAF的转变 福建天文 作者：林一清，卢炬甫

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