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我台在黑洞天体的理论理解上取得新进展
2015-03-31 | 编辑: | 【】【打印】【关闭

  活动星系核和黑洞X射线双星是高能天体物理的重要研究方向。通常认为,这些不同尺度的源的丰富的观测现象是由于中央的黑洞吸收周边物质并释放能量的过程。近些年,黑洞双星和活动星系核的相似性研究越来越得到学术界的重视。比如说,黑洞双星在其爆发阶段会有硬态(X射线谱以非热的幂律谱为主;辐射谱 N(E)∝E^(-Γ),这里E代表光子的能量,Γ代表光子指数)和软态(X射线谱以热辐射为主)的跃迁。这种现象在活动星系核上是否有相应的对照体?在这个领域,我台最近从数据统计和理论解释着手,取得了新的进展。

  黑洞双星和活动星系核都是较强的X射线辐射源,且由于X射线的穿透力很强,因此能够提供黑洞周围小尺度区域的物理性质的信息。基于此,上海天文台博士研究生杨其祥(导师:袁峰研究员、谢富国副研究员)及合作者们对黑洞双星的硬态以及活动星系核的大样本X射线数据进行了统计分析。这是目前已知的最大的观测样本,其X射线的光度(以爱丁顿光度做单位)跨越了八个数量级。

  我们着重关注了光子指数Γ和X射线光度L_X之间的相关关系(以下简称Γ-L 相关)。观测数据表明,对光度较高的系统(即所谓的明亮的硬态),Γ-L 呈现正相关关系;光度极低的系统(即所谓的宁静态),Γ几乎是常数。而光度处于中间区域时,相关关系变为负相关。基本观测结果可参看示意图图一。值得一提的是,对单个源的长期监测证实此三段式的相关关系是真实存在的。

  图一 黑洞吸积系统Γ-L 相关关系观测与理论解释示意图


     这一观测结果一方面证实了前人对各个分支的发现,另一方面也对黑洞吸积理论提出了观测限制。黑洞双星以及低光度活动星系核已经有一个主流的理论模型,即黑洞热吸积流-喷流耦合模型。它的基本图像如图二所示。 在某个截断半径之外是著名的标准薄盘(SSD),在截断半径之内是含有外流的热吸积流,此外,在吸积流的极内区,有相对论性的喷流。由此,一个自然且重要的问题是:复杂的三段式Γ-L 相关关系能否用热吸积流-喷流模型统一且自洽地加以解释?

图二 黑洞热吸积流-喷流耦合模型。

  理论计算的结果表明,在极低光度下,X射线辐射由喷流主导,光子指数主要由喷流中的非热电子的分布决定。而随着黑洞吸积率的升高,X射线辐射就会逐渐转化为由热吸积流主导,在中等光度以及高光度区域,对应的热吸积流模式分别为纯热相的热吸积流(图一中的ADAF以及Type I LHAF)以及存在大量冷团块的所谓两相吸积流(图一中的two-phase accretion),而对于这两种吸积模式,理论计算的结果是Γ与L 分别呈现负相关以及正相关关系。因此,观测结果完全支持热吸积流-喷流耦合模型。同时,理论模型以及观测数据也表明,黑洞双星和活动星系核之间有高度的相似性。

  目前这一结果已经发表在2015年的国际核心期刊《英国皇家天文学会月报》(Yang et al 2015, MNRAS, 447, 1692)。本研究论文的作者包括中国科学院上海天文台博士研究生杨其祥,谢富国副研究员(通讯作者),袁峰研究员,波兰哥白尼天体物理中心的Andrzej A. Zdziarski教授,英国杜伦大学的Marek Gierlinski博士,以及北京大学Kavli天文与天体物理研究所的何子山教授。

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