黑洞天體活動(dòng)的基本面研究.pdf

1、“一黑”、“二暗”、“三起源”是天文學(xué)最前沿的科學(xué)問題，其中“一黑”是指黑洞的研究。根據(jù)黑洞質(zhì)量的不同，可以將黑洞大致分為恒星質(zhì)量黑洞、中等質(zhì)量黑洞和超大質(zhì)量黑洞。恒星質(zhì)量黑洞的質(zhì)量約3-20M☉，一般處于雙星系統(tǒng)中。超大質(zhì)量黑洞質(zhì)量約為106-10M☉，一般處于星系的中心?；顒?dòng)星系核是一種具有劇烈活動(dòng)的系外星系的中心，這種強(qiáng)烈的活動(dòng)一般起源于超大質(zhì)量黑洞的活動(dòng)。中等質(zhì)量黑洞(MBH=106-10M☉)是否存在現(xiàn)在還不清楚，但有人認(rèn)為極

2、亮X射線源（如HLX-1）可能是中等質(zhì)量黑洞非常好的候選體。黑洞質(zhì)量的不同導(dǎo)致了不同尺度黑洞的演化時(shí)標(biāo)相差數(shù)個(gè)數(shù)量級(jí)?？紤]到不同尺度黑洞的中心引擎的相似性，利用黑洞X射線雙星短時(shí)變的特點(diǎn)來研究活動(dòng)星系核將具有一定的借鑒意義。但是，黑洞雙星和超大質(zhì)量黑洞天體中心黑洞質(zhì)量相差6-9個(gè)量級(jí)，類似的中央引擎在如此大的參數(shù)空間范圍是否一定相似仍不清楚，此外，該領(lǐng)域還有許多問題還不清楚，如噴流的產(chǎn)生、持續(xù)及熄滅的機(jī)制？吸積盤的冕的結(jié)構(gòu)是什么樣的及其

3、如何演化的？盤冕的演化與態(tài)的轉(zhuǎn)換存在什么樣的關(guān)系？ULXs中的黑洞質(zhì)量如何等。博士期間，我的工作主要圍繞不同尺度黑洞天體的物理性質(zhì)和觀測特性展開，主要研究了不同尺度黑洞天體活動(dòng)的基本面關(guān)系以及黑洞X射線雙星的能譜演化。具體包括以下幾個(gè)方面的工作：
　　第一章首先介紹了活動(dòng)星系核、黑洞 X射線雙星和超亮 X射線源的觀測特性，主要包括活動(dòng)星系核的分類和統(tǒng)一模型，黑洞X射線雙星的時(shí)變特性和能譜特性以及超亮X射線源的一些觀測性質(zhì)；在此基礎(chǔ)

4、上綜述了不同尺度黑洞天體的相似性，主要包括中心引擎、HID圖以及射電-X射線關(guān)系的相似性，并介紹了黑洞天體活動(dòng)的幾個(gè)基本面關(guān)系；最后簡單介紹了產(chǎn)生上述觀測特性可能的物理機(jī)制—致密天體的吸積和噴流，主要包括最流行的幾種吸積盤模型（如標(biāo)準(zhǔn)盤模型SSD、徑移主導(dǎo)吸積流模型ADAF和slim盤模型）、噴流的產(chǎn)生機(jī)制和噴流能量的提取以及吸積盤和噴流的耦合等。
　　第二章主要研究了黑洞X射線雙星不同射電-X射線關(guān)系可能的物理本質(zhì)。近年來，射電

5、-X射線的例外分支被發(fā)現(xiàn)。它的擬合斜率比正常分支更陡，可能與正常分支具有不同的吸積模式。該工作首先利用同時(shí)或準(zhǔn)同時(shí)性的射電-X射線觀測，研究了四個(gè)黑洞X射線雙星光子指數(shù)隨流量的演化。發(fā)現(xiàn)F3-9keV在低于和高于臨界流量FX,crit時(shí)，X射線譜指數(shù)Γ和X射線流量F3-9keV的相關(guān)性由反相關(guān)向正相關(guān)轉(zhuǎn)換。該結(jié)果分別與SSD-corona模型和ADAF模型的理論預(yù)期一致。更重要的是，在同一臨界光度FX,crit處，射電-X射線相關(guān)性也發(fā)

6、生了明顯的變化：當(dāng)F3-9keV≧FX,crit時(shí)，射電-X射線流量的擬合斜率較陡b～1.1-1.4，處于例外分支；當(dāng)Γ-F3-9keV反相關(guān)時(shí)，黑洞X射線雙星處于正常分支或轉(zhuǎn)換分支。該工作通過分析硬X射線譜指數(shù)的演化，驗(yàn)證了射電-X射線相關(guān)性的正常分支和例外分支的X射線輻射分別來自于輻射低效和輻射高效的吸積模式，暗示Γ-F3-9keV正、反相關(guān)性的變化是吸積模式轉(zhuǎn)換的結(jié)果。
　　第三章主要研究了高輻射效率黑洞天體的基本面關(guān)系。近

7、年來，越來越多的觀測表明黑洞 X射線雙星低/硬態(tài)的射電-X射線相關(guān)性存在例外分支(FR∝FXb,b～1.4），該分支可能與輻射低效的正常分支具有不同的吸積模式。該工作首先構(gòu)建了一個(gè)輻射高效黑洞天體的樣本，包括高光度射電寧靜活動(dòng)星系核和例外源。它們的Γ-F3-9keV都是正相關(guān)的，且Lbol/LEdd≧1％。在此基礎(chǔ)上分析了L5GHz/LEdd和L2-10keV/LEdd的相關(guān)性。發(fā)現(xiàn)它們具有相似的相關(guān)性，即遵循(此處公式省略)關(guān)系，斜率

8、分別為c=1.59和c=1.53。既然高光度活動(dòng)星系核和例外源具有相似的性質(zhì)，我們分析了這兩類天體的基本面關(guān)系（此處公式省略），彌散度為σR=0.51dex。與Merloni et al.(2003)輻射低效黑洞的基本面關(guān)系相比，該基本面關(guān)系適用于輻射高效的黑洞天體。
　　第四章主要研究了寧靜態(tài)黑洞天體物理性質(zhì)。寧靜態(tài)時(shí)射電-X射線的相關(guān)性是否延續(xù)低/硬態(tài)時(shí)的演化一直存在著兩種不同的觀點(diǎn)。本章首先構(gòu)建了一個(gè)比較完備的樣本，包括黑洞

9、X射線雙星和低光度活動(dòng)星系核，光度范圍為LX～10-9 - 10-3LEdd。在此基礎(chǔ)上分析了黑洞活動(dòng)的基本面關(guān)系，得到了與Merloni et al.(2003)和Falcke et al.(2003)相似的結(jié)果，即ξX～0.60，ξM～0.80。該結(jié)果表明寧靜態(tài)黑洞的基本面關(guān)系仍然在低/硬態(tài)時(shí)的延長線上。我們還發(fā)現(xiàn)射電噪類星體（如，F(xiàn)R Is）的基本面關(guān)系較陡。排除了FR Is后，分別分析了低/硬態(tài)（LX≥LX,crit）和寧靜態(tài)（

10、LX≤LX,crit）黑洞天體的基本面關(guān)系。發(fā)現(xiàn)兩個(gè)子樣本具有相似的基本面關(guān)系，暗示寧靜態(tài)時(shí)和低/硬態(tài)時(shí)的黑洞天體可能具有相似的中心引擎。為了驗(yàn)證這個(gè)結(jié)果，本章又利用黑洞質(zhì)量小范圍變化（低光度活動(dòng)星系核，MBH=108±0.4；FR Is，MBH=108.8±0.4）、X射線光度相差數(shù)個(gè)量級(jí)（低光度活動(dòng)星系核，LX=10-8.8 - 10-3LEdd；FR Is，LX=10-7.6 - 10-3.6LEdd）模擬了單個(gè)活動(dòng)星系核從低/硬

11、態(tài)向?qū)庫o態(tài)的射線-X射線相關(guān)性的演化。結(jié)果表明，寧靜態(tài)的射電-X射線相關(guān)性基本上在低/硬態(tài)的延長線上，暗示寧靜態(tài)和低/硬態(tài)時(shí)黑洞天體可能具有相似物理機(jī)制。
　　第五章研究了黑洞X射線雙星X射線譜的演化。Cao（2009）通過SSD-corona模型的理論研究表明，Γ-m演化與磁應(yīng)力張量τrφ密切相關(guān)。本工作希望通過分析黑洞X射線雙星一次完整爆發(fā)過程中Γ-m的變化，限定吸積盤未知的物理機(jī)制。首先，我們利用RXTE衛(wèi)星數(shù)據(jù)對(duì)GX339

12、-4進(jìn)行了能譜分析，并以2007/2008一個(gè)完整的爆發(fā)為例，研究整個(gè)爆發(fā)過程中譜指數(shù)Γ隨X射線流量F2-10keV的演化。結(jié)果表明，在光度上升和下降階段Γ- F2-10keV相關(guān)性遵循兩個(gè)不同的演化軌跡。（i）上升階段。當(dāng)Lbol≤7.5%LEdd時(shí)，Γ- F2-10keV反相關(guān)的；當(dāng)Lbol≥7.5%LEdd時(shí)，Γ- F2-10keV是正相關(guān)的。(ii)在下降階段，Γ- F2-10keV可以分為3個(gè)部分：當(dāng)Lbol≤1%LEdd時(shí)，

13、Γ- F2-10keV近似水平變化；當(dāng)1%LEdd≤Lbol≤1.5%LEdd時(shí)，Γ- F2-10keV是正相關(guān)的；當(dāng)Lbol≥1.5%LEdd時(shí)，隨著F2-10keV升高，硬X射線譜指數(shù)近似為常數(shù)。目前，我們僅僅展示了GX339-4一次完整爆發(fā)的初步結(jié)果，更多黑洞雙星、更多次爆發(fā)的數(shù)據(jù)正在處理中，我們將盡快將結(jié)果展示給大家，并綜合討論Γ- F2-10keV演化相關(guān)的物理機(jī)制。需要指出的是，Cao(2009)是針對(duì)108M☉活動(dòng)星系核的