黑洞天体活动的基本面研究

发布时间：2017-12-13 11:07

  本文关键词：黑洞天体活动的基本面研究

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【摘要】：“一黑”、“二暗”、“三起源”是天文学最前沿的科学问题,其中“一黑”是指黑洞的研究。根据黑洞质量的不同,可以将黑洞大致分为恒星质量黑洞、中等质量黑洞和超大质量黑洞。恒星质量黑洞的质量约3-20M(?),一般处于双星系统中。超大质量黑洞质量约为106-10M(?),一般处于星系的中心。活动星系核是一种具有剧烈活动的系外星系的中心,这种强烈的活动一般起源于超大质量黑洞的活动。中等质量黑洞(MBH=106-10M(?))是否存在现在还不清楚,但有人认为极亮X射线源(如HLX-1)可能是中等质量黑洞非常好的候选体。黑洞质量的不同导致了不同尺度黑洞的演化时标相差数个数量级。考虑到不同尺度黑洞的中心引擎的相似性,利用黑洞X射线双星短时变的特点来研究活动星系核将具有一定的借鉴意义。但是,黑洞双星和超大质量黑洞天体中心黑洞质量相差6-9个量级,类似的中央引擎在如此大的参数空间范围是否一定相似仍不清楚,此外,该领域还有许多问题还不清楚,如喷流的产生、持续及熄灭的机制?吸积盘的冕的结构是什么样的及其如何演化的?盘冕的演化与态的转换存在什么样的关系?ULXs中的黑洞质量如何等。博士期间,我的工作主要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。具体包括以下几个方面的工作：第一章首先介绍了活动星系核、黑洞X射线双星和超亮X射线源的观测特性,主要包括活动星系核的分类和统一模型,黑洞X射线双星的时变特性和能谱特性以及超亮X射线源的一些观测性质：在此基础上综述了不同尺度黑洞天体的相似性,主要包括中心引擎、HID图以及射电-X射线关系的相似性,并介绍了黑洞天体活动的几个基本面关系；最后简单介绍了产生上述观测特性可能的物理机制一致密天体的吸积和喷流,主要包括最流行的几种吸积盘模型(如标准盘模型SSD、径移主导吸积流模型ADAF和slim盘模型)、喷流的产生机制和喷流能量的提取以及吸积盘和喷流的耦合等。第二章主要研究了黑洞X射线双星不同射电-X射线关系可能的物理本质。近年来,射电-X射线的例外分支被发现。它的拟合斜率比正常分支更陡,可能与正常分支具有不同的吸积模式。该工作首先利用同时或准同时性的射电-X射线观测,研究了四个黑洞X射线双星光子指数随流量的演化。发现F3-9keV在低于和高于临界流量Fx,crit时,X射线谱指数Γ和X射线流量F3-9keV的相关性由反相关向正相关转换。该结果分别与SSD-corona模型和ADAF模型的理论预期一致。更重要的是,在同一临界光度FX,crit处,射电-X射线相关性也发生了明显的变化：当F3-9keV≥FX,crit时,射电-X射线流量的拟合斜率较陡b～1.1-1.4,处于例外分支；当Γ-F3-9keV反相关时,黑洞X射线双星处于正常分支或转换分支。该工作通过分析硬X射线谱指数的演化,验证了射电-X射线相关性的正常分支和例外分支的X射线辐射分别来自于辐射低效和辐射高效的吸积模式,暗示Γ-F3-9keV正、反相关性的变化是吸积模式转换的结果。第三章主要研究了高辐射效率黑洞天体的基本面关系。近年来,越来越多的观测表明黑洞X射线双星低/硬态的射电-X射线相关性存在例外分支(FR∝FbX,b～ 1.4),该分支可能与辐射低效的正常分支具有不同的吸积模式。该工作首先构建了一个辐射高效黑洞天体的样本,包括高光度射电宁静活动星系核和例外源。它们的Γ-F3-9keV都是正相关的,且Lbol/LEdd≥1%。在此基础上分析了LSGHZ/LEdd和L2-1okeV/LEdd的相关性。发现它们具有相似的相关性,即遵循L5GHZ/LEdd∝(L2-10keV/LEdd)c关系,斜率分别为c=1.59和c=1.53。既然高光度活动星系核和例外源具有相似的性质,我们分析了这两类天体的基本面关系：log LR=1.59+0.280.22logLx-0.22+0.190.20ligMBH-28.97+0.45-0.45,弥散度为σR=0.51dex。与Merloni et al.(2003)辐射低效黑洞的基本面关系相比,该基本面关系适用于辐射高效的黑洞天体。第四章主要研究了宁静态黑洞天体物理性质。宁静态时射电-X射线的相关性是否延续低/硬态时的演化一直存在着两种不同的观点。本章首先构建了一个比较完备的样本,包括黑洞X射线双星和低光度活动星系核,光度范围为LX～10-9-10-3LEdd。在此基础上分析了黑洞活动的基本面关系,得到了与Merloni et al.(2003)和Falcke et a1.(2003)相似的结果,即ζX～-0.60,ζM～0.80。该结果表明宁静态黑洞的基本面关系仍然在低／硬态时的延长线上。我们还发现射电噪类星体(如,FR Is)的基本面关系较陡。排除了FR Is后,分别分析了低／硬态(LX≥LX,crit)和宁静态(Lx≤ LX,crit)黑洞天体的基本面关系。发现两个子样本具有相似的基本面关系,暗示宁静态时和低／硬态时的黑洞天体可能具有相似的中心引擎。为了验证这个结果,本章又利用黑洞质量小范围变化(低光度活动星系核,MBH=108±0.4；FR Is,MBH= 108.8±0.4)、X射线光度相差数个量级(低光度活动星系核,Lx=10-8.8-10-3LEdd； FR Is,Lx=10-7.6-10-3.6LEdd)模拟了单个活动星系核从低／硬态向宁静态的射线-X射线相关性的演化。结果表明,宁静态的射电-X射线相关性基本上在低／硬态的延长线上,暗示宁静态和低／硬态时黑洞天体可能具有相似物理机制。第五章研究了黑洞X射线双星X射线谱的演化。Cao(2009)通过SSD-corona模型的理论研究表明,r-m演化与磁应力张量Trφ密切相关。本工作希望通过分析黑洞X射线双星一次完整爆发过程中r-m的变化,限定吸积盘未知的物理机制。首先,我们利用RXTE卫星数据对GX 339-4进行了能谱分析,并以2007/2008一个完整的爆发为例,研究整个爆发过程中谱指数r随X射线流量F2-10keV的演化。结果表明,在光度上升和下降阶段Γ-F2-10keV相关性遵循两个不同的演化轨迹。(i)上升阶段。当Lbol ≤ 7.5%LEdd时,Γ-F2-10keV反相关的；当Lbol≥7.5%LEdd时,Γ-F2-10keV是正相关的。(ii)在下降阶段,Γ-F2-10keV可以分为3个部分：当Lbil ≤ 1%LEdd时,Γ-F2-10keV近似水平变化：当1%LEdd ≤ Lbol ≤ 1.5%LEdd时,Γ-F2-10keV是正相关的;当Lbol≥1.5%LEdd时,随着F2-10keV升高,硬X射线谱指数近似为常数。目前,我们仅仅展示了GX 339-4一次完整爆发的初步结果,更多黑洞双星、更多次爆发的数据正在处理中,我们将尽快将结果展示给大家,并综合讨论Γ-F2-10keV演化相关的物理机制。需要指出的是,Cao(2009)是针对108M(?)活动星系核的理论计算结果,与10M(?)黑洞的r-m的演化也许存在一定的差异,相关理论计算也正在进行中。总之,利用r-m和LX/LEdd-m的演化,特别是利用一次完整的爆发(由于MBH固定,BHXB将比AGNs样本限定的更好)可以限定吸积盘的物理机制。第六章总结了本人博士阶段的主要工作成果,介绍了当前主要的科学问题,并对今后一段时间的工作方向作以简单的介绍和展望。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：P145.8

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本文编号：1284901